基于應(yīng)力波理論的高速公路軟土地基動力沉降解析.pdf

1、軟土地基沉降問題一直是國內(nèi)外學者孜孜以求地尋求著解決的思路和方法的問題，并提出了諸多的理論和技術(shù)措施，但迄今還未有一個成熟的理論和技術(shù)措施能夠得到一致的肯定，這與土體本身的復雜性以及土力學和土動力學理論學科的發(fā)展水平有關(guān)。本文結(jié)合大量現(xiàn)場試驗資料、應(yīng)力波理論和Biot波動理論和動力固結(jié)理論的思考，認為無論是在土力學理論和工程技術(shù)措施的應(yīng)對方面，都忽略了移動荷載(包括壓實荷載、汽車荷載和列車荷載)對軟土地基沉降的影響，這對沉降

2、有時是決定性的，由此引起的問題就是無論是在沉降的機理認識還是在沉降理論的建立中都會忽略這一關(guān)鍵影響因素。本文就是基于這樣一個認識，從移動荷載形成的應(yīng)力波傳播理論特征和機理，認為動荷載的作用機理就是應(yīng)力波(縱波和橫波)在軟土地基的傳播機理，動荷載與靜荷載的區(qū)別其實是作用頻率的高低之分和作用對象的響應(yīng)不同之分，應(yīng)用Biot動力固結(jié)理論和Biot波動理論，分析了飽和介質(zhì)和橫觀各向同性飽和介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播特征，并結(jié)合室內(nèi)外試驗重點

3、分析了壓實移動荷載在軟土地基中的傳播及其作用機理，并據(jù)此對軟土地基的沉降機理進行新的詮釋，并對傳統(tǒng)總沉降中瞬時沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降做出了新的解釋。本文在這一領(lǐng)域內(nèi)的研究內(nèi)容和成果主要有：1)在Lagrange坐標下，用彈性動力學及分析力學的方法，重新推導了Biot動力固結(jié)方程及波動方程，對Biot動力固結(jié)方程及波動方程的建立有了更深一步的認識。2)通過編制程序計算所得飽和介質(zhì)和橫觀各向同性(簡稱TI)飽和介質(zhì)中三

4、種體波(P1縱波、P2縱波及S橫波)的應(yīng)力波傳播速度與實測波速較接近，同時對兩種介質(zhì)中影響應(yīng)力波傳播的諸因素(滲透系數(shù)、粘滯系數(shù)、孔隙度及應(yīng)力波入射角度)進行了詳盡的分析研究，為移動荷載對軟土地基沉降作用的機理和分析計算提供了保障。3)利用Zienkewicz判別準則，界定了移動荷載如路基填筑過程中壓路機荷載及路基竣工后的汽車荷載對地基固結(jié)的影響是不容忽視的。4)首次建立了壓實移動荷載模型，分析計算了移動荷載在軟土地基中應(yīng)力

5、波(三種體波P1、P2壓縮波及S剪切波)的傳播特征、對軟土地基沉降的影響機理以及動荷載的影響深度，計算表明，在常規(guī)振動壓路機的作用下，剪切波主要作用在軟土地基的淺層范圍約6m～8m之間，而P2壓縮波作用范圍在約18m～28m之間，而P1波的作用深度可達58m。5)從Biot波動理論的角度重新認識了移動循環(huán)荷載形成的應(yīng)力波對沉降的影響，以及影響循環(huán)荷載作用效應(yīng)的重要因素，對軟基沉降機理、沉降的組成部分的重新認識提供了理論基礎(chǔ)

6、。6)從移動荷載形成的應(yīng)力波作用深度推斷，公路和道路竣工通車后，汽車荷載對軟土地基的反復作用是軟土地基產(chǎn)生長期位移變形——剪切變形和壓縮變形并由此產(chǎn)生次固結(jié)變形的真正原因所在。7)通過Biot波動理論和室內(nèi)動三軸試驗成果說明了，移動荷載中剪切波的反復作用是引起軟土地基側(cè)向變形并由此產(chǎn)生附加沉降的主要原因，此變形及沉降伴隨著路基填筑的整個過程甚至運營過程，因此，將移動荷載作用下因剪切波引起的附加沉降定義為瞬時沉降更切合實際，

7、并解決了一直以來瞬時沉降的發(fā)生的機理和階段的爭議。8)我國規(guī)范和教材中將沉降分為瞬間沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三階段是不嚴謹和不科學的。由剪切變形引起的瞬時沉降伴隨著沉降的整個過程，而由壓縮變形和剪切變形引起固結(jié)變形(包括主固結(jié)和次固結(jié))具有相同的物理機理，這一特性決定了固結(jié)變形是不同外荷載作用下軟土地基不同的變形響應(yīng)，傳統(tǒng)意義上的沉降三階段中的各沉降組成部分其實存在于沉降變形的整個過程，因此，有必要對沉降三階段論進行重