交通荷載對路基作用的理論研究現(xiàn)狀初探

■丁慶峰

（廣東省水文地質(zhì)大隊　廣東　廣州　510510）

交通荷載對路基作用的理論研究現(xiàn)狀初探

■丁慶峰

（廣東省水文地質(zhì)大隊廣東廣州510510）

對國內(nèi)外有關(guān)交通荷載下路基土動力學(xué)特性研究的文獻(xiàn)和資料的閱讀、分析，從交通荷載作用的理論研究方面對目前的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

交通荷載路基

有關(guān)在循環(huán)交通荷載作用下路基土的動力特性的研究中，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)在理論分析、試驗研究、原位監(jiān)測、數(shù)值模擬計算等方面開展了研究，并獲得了一些很有價值的研究理論和有意義的研究成果。下面將從路基受交通荷載作用的理論研究，對國內(nèi)外學(xué)者已取得的成果進(jìn)行梳理，并介紹說明可以進(jìn)一步完善發(fā)展的方面，為以后開展的分析和探討提供理論和實踐意義上的支持。

H．Bufler及Bahar[1]分別在1971年和1972年將傳遞矩陣法應(yīng)用到彈性層狀體系理論中，之后該方法廣泛應(yīng)用到路基路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中；張洪亮等[2]將車輛荷載簡化為矩形均布荷載的基礎(chǔ)上，然后把柔性路面假定為多層粘彈性半空間體，選用經(jīng)過修正的平面應(yīng)變模型，并考慮到路基土對應(yīng)變幅的依賴性，運(yùn)用傳遞矩陣Laplace變換和Fourier變換，對恒定交通荷載作用下柔性路面的動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，并運(yùn)用模型試驗對理論計算結(jié)果進(jìn)行了驗證；茵潤華[3]運(yùn)用彈性層狀體系理論，計算和分析了交通荷載作用下路基頂部和路基內(nèi)的附加應(yīng)力，并給出附加應(yīng)力在路基頂部的平面分布規(guī)律以及在深部方向的分布規(guī)律；梁毅超等[4]基于彈性層狀體系理論計算了不同路面結(jié)構(gòu)、不同車輛軸質(zhì)量下，瀝青路面路基下的豎向附加應(yīng)力分布規(guī)律，探討了交通荷載作用下瀝青路面粉土路基的變形規(guī)律；凌建明等[5]基于彈性層狀理論計算了交通荷載作用下路基頂部及路基土體單元中的垂直應(yīng)力，并建立了路基附加動應(yīng)力的模式；湯連生等人[6~9]通過對二維或三維彈粘性體及粘彈性層狀路基的力學(xué)模型分析，給出了一些十分有價值的研究成果。

Sneddon[10]最早提出了在彈性半空間的表面施加勻速的移動荷載問題，推導(dǎo)出在移動荷載作用下彈性半空間的積分表達(dá)式；Jones和Petyt[11~12]將地基簡化為半空間彈性體，利用Fourier變換研究了矩形和條形均布荷載作用下的地基響應(yīng)；張峋青，劉維寧，張振剛等[13]采用Duhamel積分和動力互等定理，給出了移動荷載作用下半無限彈性空間中連續(xù)介質(zhì)上的任意點動力響應(yīng)的廣義Duhamel積分表達(dá)式；蔣建群，周華飛等[14]分析了移動集中荷載作用下彈性半空間的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并對彈性半空間內(nèi)部的動力響應(yīng)及表面的位移進(jìn)行了解答；Hungh[15]把地基模擬簡化為粘彈性半空間，對不同類型的車輛荷載和不同的車輛行駛速度作用下地面的響應(yīng)進(jìn)行了研究；牛璽容等[16]在把路基假定為彈性均質(zhì)體的前提下，分別計算了集中輪載和均布荷載下路基及基底內(nèi)豎向附加應(yīng)力和總應(yīng)力。

Hardy和Cebon[17]將地基土假定為Winkler彈性地基模型，路面假定為Euler梁模型的基礎(chǔ)上，研究了移動荷載作用下公路的基本響應(yīng)（應(yīng)力、應(yīng)變、位移）；Huang和Thambiratnam[18][19]將土體假定為Winkler彈性介質(zhì)的基礎(chǔ)上，對移動荷載作用下土體的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究；謝偉平、王國波[20]將軌道-枕木-碎石墊層作為一個整體進(jìn)行分析，通過把軌道系統(tǒng)簡化模擬為彈性地基梁，以移動荷載下的軌道系統(tǒng)作為研究對象，經(jīng)過動力響應(yīng)和反映譜的計算，分析了其動力特性。

竹宮宏等[21]運(yùn)用GREEN法和分層法對移動簡諧荷載作用下地基-軌道體系的動力響應(yīng)進(jìn)行了計算；孫常新等[22]對車輛高速行駛條件下的路基動力響應(yīng)問題進(jìn)行了研究，分析了動應(yīng)力分布的影響因素；倪光樂等[23]把路基的非線性特性應(yīng)用到彈性板基礎(chǔ)與其相互作用的分析中，經(jīng)過計算表明，考慮路基的非線性時，路基的反力以及彈性板的受力情況得到改善，而且計算結(jié)果更接近實際；仇敏玉[24]運(yùn)用粘彈性邊界元有限元模型，對行車荷載在道路中的有效傳播深度進(jìn)行了研究，研究表明，用附加動應(yīng)力大小作為行車荷載有效傳播深度的控制標(biāo)準(zhǔn)不足以反映車輛荷載對道路沉降的影響。

在交通荷載作用下路基土動力特性的理論研究中，國內(nèi)外學(xué)者對路基模型的簡化模擬主要是做了以下三方面的假設(shè)：（1）將路面或路基假設(shè)成為Winkler彈性地基；（2）把路基或者是路面看作是線彈性、粘彈性的均質(zhì)同性體或成層的半空間體；（3）將路基土看作為飽和土體。

而基于彈塑性力學(xué)理論對路基土在交通荷載下的動力特性的研究較少。廖化榮[25]運(yùn)用雙屈服面理論以及等價粘塑性理論，通過對試驗函數(shù)和參數(shù)的擬合，借助于安定理論，建立了考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的交通荷載下路基軟土的雙屈服面等價粘彈性動本構(gòu)模型，以及有效動應(yīng)力的累積方程，但是研究對象為飽和的路基軟粘土；王仕傳等[26]運(yùn)用有限單元法，對交通荷載下加筋路基土進(jìn)行動力分析，在對影響塑性應(yīng)變累積因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了加筋可以減少路基土殘余變形的機(jī)理。

典型的道路路基路面結(jié)構(gòu)自上而下包括面層、基層、底基層、路堤和天然路基五部分，面層、基層、底基層、路堤一般處于地下水位之上，一般是非飽和的，而天然路基土既有可能是飽和的，也有可能是非飽和的，而粘性土即使處于地下水位以下也有可能是處于非飽和的狀態(tài)[27]。處于狀態(tài)的非飽和路基土的動力特性及應(yīng)力傳遞模式?jīng)Q定了不同路基深度上動附加應(yīng)力和動應(yīng)變的大小，并且微觀上也改變了土體飽和度、粒間吸力及濕吸力等，這種影響反映在宏觀上則表現(xiàn)為路基土體強(qiáng)度和變形的變化。因此，將路基土體假定為飽和土體來研究是有其局限性的。

交通荷載是路基病害產(chǎn)生的動力來源，對交通荷載的研究，不同的學(xué)者從各自的角度出發(fā)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并且有很大的實用價值。但是基于路基受交通荷載作用的角度，大部分研究是把交通荷載模擬簡化為等效的靜力荷載，對其動載特性的研究則比較少。交通荷載作用下路基土的動力特性與其靜力特性有本質(zhì)的區(qū)別，將交通荷載簡化為靜荷載有一定的局限性，因此需要對交通荷載的特性進(jìn)行分析，并給出合適的交通荷載表達(dá)方式。由于道路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在交通荷載下路基土的動力學(xué)特性的理論研究方面，多是把路基假定為Winkler地基梁或彈性、粘彈性層狀體系或均質(zhì)同性體，沒有或很少考慮到路基土體的彈塑性。在理論求解時關(guān)于考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的解答比較少，而交通荷載的特征加卸載方式為主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)。

[1]Bufler H.Theory of elasticity of a multilayered medium[J].Journal of Elasticity，1971，1(2)：125-143.][Bahar L Y.Transfer matrix approach to layered systems[J]. Journal of Engineering Mechanics Division，ASCE，1972，98(5)：1159-1172.

[2]張洪亮，胡長順，許偉清.移動荷載作用下柔性路面的動力響應(yīng) [J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，05:6-10.

[3]茵潤華.瀝青路面彈性層狀體系的三維有限元仿真分析 [J].交通科技，2006，1.

[4]梁毅超，楊戈，錢勁松.行車荷載作用下路基附加應(yīng)力動態(tài)分析 [J].城市道橋與防洪，2012，No.16412:159-161+15.

[5]凌建明，王偉，鄔洪波.行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究 [J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2002，11:1315-1320.

[6]湯連生，林沛元，吳科，等.交通荷載下層狀路基動附加應(yīng)力的彈性計算模型 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(11)：2208~2214.

[7]湯連生，徐通，林沛元，等.交通荷載下層狀道路系統(tǒng)動應(yīng)力特征分析 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S1)：3876~3884.

[8]湯連生，林沛元，吳科，等.單點動載下路基動應(yīng)力狀態(tài)及有效作用半徑分析 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(2)：4056~4063.

[9]湯連生，林沛元，吳科，等.交通荷載下路基土中動應(yīng)力響應(yīng)特征分析 [J].巖土工程學(xué)報，2011，33(11)：1745-1749.

[10]LN.Sneddon.Fourier tansforms.New York，NY：McGraw-Hill，1951.

[11]D.V Jones and M.Petyt.Ground Vibration in the Viciniiy of a Rectangular Load on Half-Space.Journal of Sound and Vibration，1993，166（1）：141~159.

[12]D.V Jones and M.Petyt.Ground Vibration Due to a Rectangular Harmonic lead.Journal of Sound and Vibration，1998，212（1）：61~74.

[13]張峋青，劉維寧，張振剛.列車荷載作用下周圍物體的動力響應(yīng)解 [J].鐵道學(xué)報，2003，25(4):85~88.

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1000-405X（2016）-9-373-1