基于应力波理论的高速公路软土地基动力沉降解析

来源 :同济大学交通运输工程学院 同济大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:eclipse
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软土地基沉降问题一直是国内外学者孜孜以求地寻求着解决的思路和方法 的问题,并提出了诸多的理论和技术措施,但迄今还未有一个成熟的理论和技术 措施能够得到一致的肯定,这与土体本身的复杂性以及土力学和土动力学理论学 科的发展水平有关。本文结合大量现场试验资料、应力波理论和Biot波动理论 和动力固结理论的思考,认为无论是在土力学理论和工程技术措施的应对方面, 都忽略了移动荷载(包括压实荷载、汽车荷载和列车荷载)对软土地基沉降的影 响,这对沉降有时是决定性的,由此引起的问题就是无论是在沉降的机理认识还 是在沉降理论的建立中都会忽略这一关键影响因素。本文就是基于这样一个认 识,从移动荷载形成的应力波传播理论特征和机理,认为动荷载的作用机理就是 应力波(纵波和横波)在软土地基的传播机理,动荷载与静荷载的区别其实是作 用频率的高低之分和作用对象的响应不同之分,应用Biot动力固结理论和Biot 波动理论,分析了饱和介质和横观各向同性饱和介质中应力波的传播特征,并结 合室内外试验重点分析了压实移动荷载在软土地基中的传播及其作用机理,并据 此对软土地基的沉降机理进行新的诠释,并对传统总沉降中瞬时沉降、主固结沉 降和次固结沉降做出了新的解释。 本文在这一领域内的研究内容和成果主要有: 1)在Lagrange坐标下,用弹性动力学及分析力学的方法,重新推导了Biot 动力固结方程及波动方程,对Biot动力固结方程及波动方程的建立有了更深一 步的认识。 2)通过编制程序计算所得饱和介质和横观各向同性(简称TI)饱和介质中 三种体波(P1纵波、P2纵波及S横波)的应力波传播速度与实测波速较接近, 同时对两种介质中影响应力波传播的诸因素(渗透系数、粘滞系数、孔隙度及应 力波入射角度)进行了详尽的分析研究,为移动荷载对软土地基沉降作用的机理 和分析计算提供了保障。 3)利用Zienkewicz判别准则,界定了移动荷载如路基填筑过程中压路机荷 载及路基竣工后的汽车荷载对地基固结的影响是不容忽视的。 4)首次建立了压实移动荷载模型,分析计算了移动荷载在软土地基中应力 波(三种体波P1、P2压缩波及S剪切波)的传播特征、对软土地基沉降的影响 机理以及动荷载的影响深度,计算表明,在常规振动压路机的作用下,剪切波主 要作用在软土地基的浅层范围约6m~8m之间,而P2压缩波作用范围在约 18m~28m之间,而P1波的作用深度可达58m。 5)从Biot波动理论的角度重新认识了移动循环荷载形成的应力波对沉降的 影响,以及影响循环荷载作用效应的重要因素,对软基沉降机理、沉降的组成部 分的重新认识提供了理论基础。 6)从移动荷载形成的应力波作用深度推断,公路和道路竣工通车后,汽车 荷载对软土地基的反复作用是软土地基产生长期位移变形——剪切变形和压缩 变形并由此产生次固结变形的真正原因所在。 7)通过Biot波动理论和室内动三轴试验成果说明了,移动荷载中剪切波的 反复作用是引起软土地基侧向变形并由此产生附加沉降的主要原因,此变形及沉 降伴随着路基填筑的整个过程甚至运营过程,因此,将移动荷载作用下因剪切波 引起的附加沉降定义为瞬时沉降更切合实际,并解决了一直以来瞬时沉降的发生 的机理和阶段的争议。 8)我国规范和教材中将沉降分为瞬间沉降、主固结沉降和次固结沉降三阶 段是不严谨和不科学的。由剪切变形引起的瞬时沉降伴随着沉降的整个过程,而 由压缩变形和剪切变形引起固结变形(包括主固结和次固结)具有相同的物理机 理,这一特性决定了固结变形是不同外荷载作用下软土地基不同的变形响应,传 统意义上的沉降三阶段中的各沉降组成部分其实存在于沉降变形的整个过程,因 此,有必要对沉降三阶段论进行重新审视。 9)提出沉降计算的改进意见及施工控制标准。 关键词:体波,P1纵波,P2纵波,S横波,Biot动力固结理论,Biot波动理论,两相饱和介质,TI饱和介质,移动荷载,沉降,瞬时沉降,次固结沉降。
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