交通荷载下地基土应力路径特性分析

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1、第31卷增刊1Vol31，Sppl1温州大学学报·自然科学版JournalofWenzhouUniversity·NaturalSciences2010年11月Nov,2010交通荷载下地基土应力路径特性分析郭士博1，一，钱建固1,2(1．地下建筑与S-程系；2．岩土及地下-r_程教育部重点实验室，同济大学，上海200092)摘要：交通荷载下地基应力主方向发生旋转是诱发路基沉降的重要因素之一．本文分析不同车辆荷载等效形式下地基土单元主应力方向旋转特性，通过模拟单次车辆移动荷载，得到偏应力空间的应力

2、路径，分别将轮载比简化为移动集中荷载、移动均布荷载和移动碗型荷载，对比三种情况下应力路径的差异．进而考虑了自重应力分析土体的主应力轴旋转情况．最后以空心圆柱扭转仪为试验平台，为实现这一应力路径设计了相应的加载方式。关键词：交通荷载；应力路径；主应力轴旋转近年来随着国家基建力度的不断加大，国内高速公路、铁路大量开工建设，随之而来的交通荷载引起的地基沉降问题日益突出，国内外的相关现场实测表明：路基在循环荷载下的工后附加沉降相当可观IlJ。现行的道路设计规范对路基沉降的计算方法并没有考虑荷载的循环作用效

3、应，而理论上交通荷载在改变土体主应力大小的同时也会引起主应力轴方向的旋转变化，相关试验表明即使在纯主应力轴旋转而其他应力参数不变的条件下，土体内部的孔压及变形也会发生较大的变化lzJ，因此有必要进行进一步的研究。Towhata和Ishihara应用空心扭剪仪模拟波浪荷载对饱和砂土进行试验，结果表明主应力轴的旋转大大加速了孔压的上升，而砂土的抗液化能力也因主应力轴的旋转而降低例。Gutierrez等研究表明，不考虑主应力轴方向的变化，而单纯认为土体塑性变形取决于主应力大小，则与试验观察不符i4-51

4、。图1车辆荷载下土体应力状态及应力路径Fig1Stressstatesandpathsundertrafficload在分析路基及其他建筑物在交通循环荷载作用下变形情况的时候引入主应力轴旋转的影响就变的十分必要，而到目前为止，考虑此方面影响的交通荷载的研究及试验还相对较少，主要是因为实验室内要模拟实现主应力轴的往复旋转相当的困难。空心圆柱扭剪仪是到目前为止比较理想的模拟试验设备，它可以通过特定的加载波形模拟实际路基在车辆荷载作用下土体内单元的受力特性161。基金项目：上海市自然科学基金(08ZRl

5、420100)，国家自然科学基金(10972159)作者简介：郭七博(1986．)，男，山东新泰人，硕士研究生，研究方向：岩土工程100温州大学学报·自然科学版(2010)第31卷增刊1本文主要针对交通移动荷载作用下路基土体单元应力力路径变化特性，及主应力轴的旋转进行了分析。首先分析了不同的荷载分布形式作用下，路基土应力路径的差异性；进而探讨了不同土层深度处土体应力主轴旋转的变化规律，最后根据分析结果，设计了应用本实验室设备：TJ5Hz空心圆柱扭剪仪模拟主应力轴旋转的加载波形实现方法。1不同荷载作

6、用形式引起的主应力轴旋转本文中车辆荷载选定为20t，交通荷载分别简化成了集中荷载、均布荷载及阶梯形荷载分别作用于土体进行分析，路基简化成弹性半空间，通过计算得出了土体中任意单元体的应力状态。分析中选择荷载作用的正下方对应的截面作为典型截面进行分析，根据空间对称性，主应力轴旋转发生在该截面内【9】’此时影响应力路径的三个应力分量分别为：O"z、仃。、z。：。选取路基表面以下5m处的土体单元，对应分析车辆移动过程中单元体应力状态的变化。将车辆荷载等效为集中荷载垂直作用在路基表面，选取位于Z轴上5m处的

7、土体单元进行分析，忽略土体自重应力条件下，应用弹性力学公式计算可知【lo】，对应三个影响应力分别为：叽一i2p舌≥Z：。石(工‘+‘)‘吒一i2p葚斋；％=一i2p考≥集中力根据选取的车辆荷载计算可知gP=200kⅣ相应公式中的未知量带入运算之后可得对应集中荷载作用时的应力路径如图2所示。由计算所得图形可知，土体单元的主应力轴在一次完整车辆荷载作用过程中可产生连续的180。旋转，与之前的研究结果一致。OO∞·～≮鬟＼＼．／／。∞∞·图2集中力作用下应力路径Fig3Stresspathsunderp

8、ointload1．1均布荷载Hraj40000·～2《≮＼～．／-40000·图3均布力作用下应力路径Fig2Stresspathsunderpointload将车辆荷载简化成集中荷载并不能很好的反应实际的作用情况，现将其简化成均布的线性荷载，假定单个车轮作用长度d=lOcm，相应的均布荷载等效为：P=500kPa对应均布荷载作用下的应力，可以通过对集中力作用下的应力结果进行积分得到，相应的三个应力的表达式分别为：郭士博等：交通荷载下地基土应力路径特性分析101吒=詈【层+丢si