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土基模量的非线性反演分析及其应用研究

孙建兵  
【摘要】: 随着交通事业的发展,人们清楚地认识到,道路网的状况对国民经济的影响是极为重要的,世界各国在道路工程中的投资也越来越多,路网的科学化管理已成为迫切需要和研究热点。科学地管理路面,首先要科学地检测和评价路面,通过定期的检测评定,判断其未来的可能性状,为路面管理系统和养护计划提供必要的技术资料。 为了科学地检测和评价路面,近二十年来,路面无损检测和材料性能反演问题的研究在国际上受到日益广泛的重视。开展路面无损检测与材料性能反演问题研究,将在控制道路施工质量、深入认识路面长期使用性能、改善路面设计、优化道路改造方案及提高路网养护水平等方面具有重大意义。许多国家相继开发出了各种新型检测设备,并建立了较为完善的检测和评价系统。弯沉作为最普遍的路面结构状况评价指标,其检测技术和分析技术发展很快。自1953年发明梁式弯沉仪以来,路面弯沉检测设备已从静力弯沉仪发展到模拟行车荷载作用的落锤式弯沉仪(FWD),从单点最大弯沉检测发展到对路面弯沉盆的检测。而路面模量反演技术是伴随着FWD的出现而发展起来的。以FWD为代表的最新型的弯沉检测设备以其高速、可靠、无损及信息量丰富等特点,使得直接用测试弯沉反算出路面各结构层模量成为可能,从而可以进一步分析出路面结构的应力应变状态,评价路面的承载能力。因此,路面模量反演技术迅速成为国际上研究与推广的重要内容,并开发出了十几个应用软件和程序。 但是,目前应用较为广泛的路面模量反分析软件基本上都是建立在轴对称层状线弹性体理论基础上的,如Modulus、Modcomp、Wesdef、Sidmod等。这类软件的优势是与目前的设计理论相吻合,并且反演速度非常快;同时,其缺陷也较为明显,即忽略了路面材料的非线性特性,由此将必然产生误差。尤其是在进行土基材料特性反演时,如果忽略其非线性特性,将会导致反算出的土基模量偏大。因此,在进行路面材料尤其是土基材料特性反演时,进一步考虑材料的非线性性质,采用更符合实际路面的力学模型,是路面结构层材料特性反演的必然发展方向。 本文主要针对这一问题,在有限元方法和系统识别原理的基础上,采 用适当的路面力学模型,对基于土基线性考虑的路面结构层模量和土基的 非线性材料特性进行了反演分析,从而进一步对其整个路面系统作出评 价。本文研究工作的主要内容如下: l、介绍了用于计算路面材料非线性变形特性的几种非线性弹性模 型,并对它们的优缺点进行了分析。阐述了在进行土基材料非线性特性反 演时,不同的土基材料所应采用的相应的非线性特性模型。 2、系统介绍了当前一种新型的路基压实作用机械—一蓝派冲击压实 机。它凭借巨大的冲击能量和相当高的行驶速度可获得深层压实效果和极 高的压实效率,在公路、铁路和机场路基处理中得到了日益广泛的应用。 并阐述了冲击式压路机的工作原理和特点。依据冲击式压路机对土基深层 压实的实际作用倩况,引进一种新的反映士基非线性特性的力学模型。 3、在路面材料非线性模型的基础上介绍了非线性有限元的处理方 法,并对四结点、轴对称单元进行了分析,给出了相应的有限元分析方 法。 4、较系统地研究了路面材料性能反演分析的基本方法,主要包括系 统识别方法(SIDMOD)和数据库搜索法(MODULUS)。介绍了这两种方 法的原理和特点,并对这两种方法的优缺点进行了比较分析。本文主要是 在系统识别原理的基础上,完成了土基模量的非线性反演分析。 5、在基于土基线弹性体考虑的基础上,编写了用于计算三层线弹性 路面结构位移的有限元程序。并将其计算结果同通用程序BISAR计算结 果进行了比较,获得了良好的效果;在系统识别原理的基础上,编写了线 弹性路面结构层模量反算程序。通过大量数值算例,验证了系统识别方法 的稳定性、收敛性和实用性。 6、在基于土基非线性考虑的基础上,结合蓝派冲击压实土基的具体 特点,采用本文的土基非线性模型,编写了用于计算位移的静力非线性有 限元程序。经对比验证,用于计算位移是可靠的;应用系统识别方法,编 写了用于反算土基参数的反算程序。经实例验证,反算结果不受初始值影 响,且反算结果良好。较好地体现了冲击式压路机深层碾压的实际情况。 二 实测弯沉盆和理论弯沉盆的反演分析表明,由于考虑了土基材料的非线性 特性,本文反算出的土基模量分布是合理、可信的。 7、针对蓝派冲击压实问题,基于]’WD实际检测弯沉数据,对其压实 效果进行了评价分析,取得较为理想的效果。


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