平原水网地区低路堤高速公路路基动力特性研究

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1、平原水网地区低路堤高速公路路基动力特性研究第一章绪论1.1选题背景与意义高速公路作为在地表上修建的具有相当长度的带状构造物，给人们的交通带来了极大的便利。我国当前高速公路设计，多采用高于2.5m的高路堤设计方案。高路堤设计满足路基工作区深度要求，同时有效阻止路基毛细水的上升。我国东南沿海平原地区分布着深厚软土，此区域内修建高速公路容易产生较大的沉降变形，进而造成路基沉陷下沉、桥头跳车、路面开裂等病害，同时，采用高路堤设计还面临路基填筑稳定性、工后沉降控制、施工周期，环境协调等问题。针对上述高路堤的不足，低路堤设计理念产

2、生。随着路堤高度的降低，不但克服上述几点确定，还可节约大量的土地资源，根据已建工程京津塘高速估算，每降低路基高度1m，工程造价可降低15-18%。简言之，低路堤具有节约土地、节省造价、行车安全、景观协调等优点。究竟路基填土高度达到多少可以称之为低路堤设计？目前并没有统一的标准。一般认为，以力求降低主线路基平均填土高度，通过增设辅道及支线上跨桥来沟通高速公路两侧，当平均填土高度小于符合当地情况的某一个规定值、下穿通道1降到比例时可称为低路堤。这里的最小填土高度是指填方路基最小填土（指填料为粘质土、粉质土或土质砂）高度，也

3、就是路床顶面边缘标高与原地面标高之差值，其最小高度不应小于路床处于干燥、中湿状态的临界高度。平均填土高度是指在道路设计纵断面线上，一定范围内的道路设计标高与原地面标高之差的平均值。国外发达国家高速公路路堤高度普遍较低，平均在0.5-1.0m,几乎与原地面平齐，线路线形与地势协调，尽量减少人为的填挖。国外普遍采用低路堤设计是由于汽车比较普及，公路沿线人口密度小，较少穿越线路。1.2交通荷载对低路堤影响研究现状针对交通动荷载累积作用问题，国内外研究人员分别从理论分析数值计算和试验等方面开展研究。这些研究主要包括以下几方面内

4、容：路面设计规范中把车辆荷载看做集中点荷载或分布荷载，考虑行驶车辆多样性，《公路浙青路面养护技术规范》定义了车辆荷载轴载换算关系式，把车辆按公式换算为日标准轴载作用次数。再将车辆荷载作用换算为效果相同的路基土土层，换算土重与路基土相同。也有部分研究人员提出异议，认为换算结果与实际不符，该换算进行当量填土荷载等值换算，没有考虑到车辆荷载动力作用。常用汽车荷载模拟模型主要有以下几种：1)傅立叶级数。即用Fourier级数描述汽车荷载，考虑波动叠加性，Fourier级数表达的荷载模型适用于波传导单元；2)随机荷载模型。该模型

5、考虑了路面平整度随机性，通过路面功率谱PSD来对汽车荷载进行描述，路面平整度以单位长度内波峰幅值表示。3)多自由度模型。该模型认为车辆荷载是多自由度振动系统。可分别用单自由度、双自由度、四自由度模型进行模拟。其中已有研究成果包括，Sun和l<enndy采用双自由度模拟车辆，并考虑车辆设计指标，车速，路面平整度等因素的影响。Hrovat模拟车辆动载采用了单轴双自由度模型，重点考虑车重以及悬挂体系对运行舒适度的影响。在此基础上，PAN等建立了三自由度车辆模拟系统。国内学者周华飞等采用了双自由度振动车辆简化模型，分析路

6、面不平整引起的车辆附加动荷载。于清则建立了四自由度振动车辆简化模型，分析不同车速行驶的车辆动载。（4)波形模型。凌建明采用三角波形来模拟路基顶面竖向应力变化，得出<0.9的相关系数，由此认为可用三角波曲线来描述动土压力。Hyodo和Yasuhara将10吨卡车分别以0，10，20，30,35km/h的速度进行试验测试，得到地基不同深度竖向土压力。数据分析得到可用半波正弦曲线描述竖向土压力。上述研究或从路面力学或从车辆力学考虑，基于对路基作用的研究较少。.第二章交通荷载对低路堤影响试验2.1车辆荷载测试为获取交通荷

7、载作用下低路堤结构内动力响应分布与变化情况、水影响下路基干湿循环情况，研究拟选取具有代表性的低路堤试验段，公路建设时期在路面、路床、路堤、地基等不同深度内埋设用以测试动力响应、路基含水量、地下水位的元件，高速公路通车后采集动应力、动应变、含水量等关键指标，揭示低路堤高速公路的路基工作状态，从而为设计提供科学依据。通过磁铁固定6个压电式加速度传感器在前后车桥轴头用于量测垂向振动加速度。测试时将数据采集系统和笔记本电脑安置在行驶的汽车的驾驶室内，所有电源为汽车的蓄电池组（若不可行，则使用备用电瓶）。所有被记录在电脑中的信号

8、，经软件处理后，便可得到所需要的数据。路面不平整度是车辆产生随机振动的激励，采用3米直尺法，对试验路段的路面不平度进行量测，从而可以更好的分析车辆随机振动的特性。具体方法及测试步骤参照《公路路基路面现场测试规程》（jTJ059-95)。..2.2路基、路面结构层动力测试2.2.1试验目的基于实测行车荷载传播规律及路基、路面动力响应