路桥过渡段路基病害特征与处治技术02.ppt
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1、 路桥过渡段路基沉降特征 车辆动荷载作用性状 路基填土动力特性 路桥过渡段路基模型试验研究 路桥过渡段处治技术适应性及作用机理,路桥过渡段路基沉降特征,路基沉降主要由两部分组成,即地基沉降和路堤填土的沉降。对软土地基来说地基沉降占主要部分,而对高填路堤则路堤本身的沉降占相当大的比例,不可忽略。由于台后填土往往较高,地基沉降与路堤本身的压缩变形都十分明显,可能产生较大的不均匀沉降。从目前的状况来看,针对地基沉降的研究相对较多,而对于路堤本身的压缩变形研究相对较少。因此,研究路桥过渡段路基沉降特征,对把握工后沉降量、正确选择相应的处治方法十分关键;再则从研究处治技术对地基沉降的适应性出发,其沉降特
2、征也是大比尺模型试验地基变形有效模拟的前提。本项目通过有限元分析、室内压缩试验、现场实测,分别针对路桥过渡段地基的沉降特征、路堤的沉降特征和路基工后沉降的计算方法开展了深入研究。,路桥过渡段路基沉降特征,地基沉降特征分析 分析条件: 河滩相和湖海相软土地基 分析内容: (1)地基固结沉降变化特性 (2)地基沉降曲线变化特征 曲线斜率与割线转角特征 最大值沉降与斜率及割线角度变化关系,沉降曲线斜率与割线转角特征,关系曲线图,最大值沉降与斜率及割线角度变化特征,路堤沉降特征分析 路堤沉降构成 路堤变形阶段 地形条件对路堤沉降的影响 路堤沉降与填土高度的关系 路堤沉降与时间的关系 路堤沉降与分层填筑
3、的关系,路桥过渡段路基沉降特征,路堤变形过程可分为三个阶段 (1)塑性弹性变形阶段:填筑过程中,土经过摊铺、洒水、分层碾压而被压缩,塑性变形是主体。随着填土高度的增加,下层土受上层土的荷载作用,开始发生压缩变形,这一阶段的变形明显地表现出填土高度与压缩量正相关,故路堤横断面方向中间变形大,两侧变形量小。 (2)不均匀变形阶段:在变形过程中,在横断面上,由于填方的不均匀及侧向无约束,应力分布不同于自重应力,出现边坡应力下降,堤内应力集中,易产生剪切变形,这就造成横向不均匀变形,这种变形在施工后期和使用期内比较明显。 (3)蠕变变形阶段:蠕变过程复杂,蠕变过程中仍有弹塑性变形存在。,路桥过渡段路基
4、沉降特征,实测路堤沉降变化分布特征,路堤内部沉降变化曲线,逐级加荷与一次加荷比较,沉降与填土高度关系曲线,施工期沉降与填土高度关系曲线,路桥过渡段路基沉降特征,路基工后沉降计算 路堤填筑用土大多是经过开挖、重塑、搬运和再压实的土,属于非饱和土,而非饱和土的固结理论迄今为止尚不成熟。因此,如何计算路基填土体本身未完成的沉降量是一个很难解决的问题。在总结大量的室内压缩试验和现场测试成果的基础上,本项目采用改进的分层总和法计算路堤填土的总沉降,建立了力、变形和时间的路堤沉降计算模型,从而较好地解决了路堤填土的工后沉降计算问题。,车辆动荷载作用性状,车辆动荷载的影响 车辆动载对道路的损伤远大于车辆静载
5、的影响,传统的半经验公式认为,道路结构的损坏大体与轮载的四次方成正比。路面与路基的损坏是由数百辆重型卡车驶过引起的,而非同一时间内数千辆轿车或轻型车经过而造成。由此可以明显看出,加剧桥头跳车的主要因素是重型车辆和交通流量。因此,要想正确地在试验台上模拟真实道路的受力情况,必须对不同车辆,尤其是重型车辆,作用于路面的载荷进行准确测量,然后根据交通流量统计,合理构成载荷谱,再通过模拟加载装置,实现道路荷载模拟的真实再现。 通常车辆动载信号都是以正弦波来模拟,但实际上车辆动载是一连串的脉冲信号,也即一连串的瞬态冲击。尤其是当遇到路面突起,如桥头沉降,这种瞬态冲击将变得更大。因此,在模拟试验台上,不应
6、以正弦波信号加以模拟,而应该准确得到车辆对路面的冲击波形,并对车辆信号的出现周期进行较为准确地测量,从而对加载装置提出合理、科学的指导。,车辆动荷载的测试 常用的道路载荷测量主要有两种: (1)台式称重系统:轮胎底部支撑面全部作用到称重台上,使用应变计或其它静态敏感元件,可在车辆静止状态下称重。如果在高速下测量,车轮颠簸和悬挂系统振荡的动态效应会影响精度,振荡的波长通常会超过称重台的宽度,通过多个系统求平均值可以满足精度要求。但由于台式称重系统使用钢框架安装的高成本限制了它的应用。 (2)条状传感器WIM系统:条状载荷传感器可安装到狭窄的路面凹槽中,因而很经济。一般采用排列多个传感器获得动态信
7、号平均值。因为条状传感器的宽度比轮胎印迹窄, 力信号必须沿车轮接触长度积分。因此, 条状传感器的性能主要取决于积分时段内信号的质量和传感器与路面相互作用的长期稳定性。 本项目选择第二种测试系统,采用石英式载荷传感器。,车辆动荷载作用性状,道路载荷测量系统示意图,典型轮载曲线,车辆触发红外传感器,安装称重传感器,试验车辆后轮通过称重传感器,试验车辆,轿车动态载荷曲线,车速10km/h,车速50km/h,车速40km/h,车速20km/h,载重车动态载荷曲线,车速5km/h,车速25km/h,车速40km/h,车速50km/h,模拟载荷谱的构成 每一车辆对路面的作用都是一个含有两个以上脉冲的冲击信
8、号,因此,模拟载荷的基本构成应该根据轴数、车速和交通量来进行。例如,对中型车而言,模拟载荷应以两个不同幅值的半正弦脉冲组成,两脉冲之间的时间间隔,取决于车速。假设根据交通量统计,该型车的年通过量为1000辆,则模拟载荷周期为1000/年,也即以上述两脉冲信号为基信号,脉冲数为1000,构造模拟加载信号。,N=1000 模拟荷载谱组成,T=2*前后轴时间差,车辆动荷载作用性状,载荷谱模拟由以下三元素构成: (1)幅值:取决于车型(小型、大客、载重、超大型),选取代表性的车辆测量得到; (2)双轴、三轴或多轴不同车速下的轴载测量时间差:选取代表性的车辆测量得到; (3)交通流量:不同车型的统计,决
9、定载荷谱的作用时间。 对于三轴车辆或多轴车辆而言,由于后轴到第三轴的距离很短,在较高车速下作用于路面的脉冲间隔就很短,这对模拟加载装置提出了较高要求,即在很短的时间里,产生两个较高的脉冲。根据现在的技术水平,还无法做到。因此,通过考虑载荷的实际作用性状和模拟加载装置的实现能力,将第二、三轴的载荷加权叠加,以一个半正弦脉冲来表达,载荷幅值为两者之和,作用时间为两者的算术平均值。而对于特大型载货列车,由于载荷大,车速慢,对桥头跳车不敏感,且交通流量小,故在加载模拟中不加考虑。,车辆动荷载作用性状,路基填土动力特性,研究目的 土体在往复动荷载作用下将产生随时间而发展的振动变形(含塑性振陷变形和弹性变
10、形)往往容易被忽略,实际上,有些工程问题的振动变形是不能被忽略的,如路桥过渡段路基,车辆动荷引起的弹塑性变形就不应被忽略。 土在动荷载作用下的变形受许多因素的影响。如:动荷幅值的大小;动荷波形的不同;动荷频率的大小;动荷作用时间的长短。土的动变形也受土材料的影响,即土体干密度的大小;土含水量的大小,土材料的区别等。 本项目研究的目标就是通过室内GDS动三轴试验,探求动荷作用下公路压实土的工程特性。,研究内容及实施方案 1. 主要内容 (1)不同压实度、不同含水量条件下压实黄土的动力特性。 (2)压实石灰黄土的动力特性。 2. 实施方案 (1)素压实黄土、石灰黄土的击实试验研究。 (2)素压实黄
11、土、压实石灰黄土的无侧限抗压试验研究。 (3)素压实黄土、压实石灰黄土的动三轴试验研究。 (4)素压实黄土、压实石灰黄土的动力特性分析研究 3关键技术 高密度土样在动三轴试验中高精度量测土的动变形。,路基填土动力特性,试验研究主要成果 通过试验研究高密度压实黄土、石灰土的动本构关系,动阻尼特性,动强度特性和动变形特性,主要结论如下: (1)一般情况下,土的动应力应变关系呈双曲线形态,高含水量时,特别是含水量接近饱和时,土的动应力应变关系呈软化特性。 (2) 土的动模量随着固结应力、干密度的增大而增大,随着含水量的增大而减小,且偏压时的动模量较均匀时大。 (3)土的动阻尼随动应变、含水量的增大而
12、增大,随干密度和固结应力的增大而减小。 (4)土的振陷系数一般呈弱线性关系,但对含水量特别敏感,随含水量的增大,振陷系数曲线趋向非线性。 (5) 土破坏时的动应变一般不会超过3,对石灰土,其破坏时的动应变基本都小于1。,路基填土动力特性,路桥过渡段路基模型试验研究,为了深入分析楔形柔性搭板技术的作用机理,也为了比较不同处治方法对地基沉降的适应性、加固效果等,首次从跳车处治措施对地基沉降的适应性出发,应用沉降模拟平台,开展室内小比尺模型试验与大比例原型试验研究、共进行了九种不同工况的对比试验。填土中埋设压力盒,分析楔形柔性搭板加固体应力的变化规律,分层观测土层的沉降,绘出相应的沉降曲线。通过对试
13、验成果的分析,得出楔形柔性搭板加固台背的适应性及布置形式。,试验研究目的,小比例模型试验的九种工况: 细砂填料,格室呈上密下疏、上长下短布置,底板两端同时分级下降至8cm,此工况实际应用最为广泛。 细砂填料,未放置土工格室,底板两端同时分级下降至8cm,此工况是对比有无土工格室的影响。 实际工程用土填料,其他与第一工况同,此工况是对比不同填料的加固效果。 细砂填料,格室尽量布置在台后填土顶面,底板两端同时分级下降至8cm,此工况是对比格室布置不同时的加固效果。 细砂填料,格室等间距布置,底板两端同时分级下降至8cm,此工况也是对比格室布置不同时的加固效果。 细砂填料,格室均双层布置,底板两端同
14、时分级下降至8cm,此工况是对比在增加格室用量情况下的加固效果。 细砂填料,格室布置同第一工况,底板沉降近桥台侧分级降至8cm,远桥台一侧不下降。此工况是对比不同地基沉降情况下的加固效果。 基本同第七工况,但底板沉降的一端在远桥台处。 实际工程用土填料,格室尽量布置在台后填土顶面,底板两端同时分级下降至8cm,此工况是对比第四工况。,路桥过渡段路基模型试验研究,小比例模型试验,共进行了9组试验,小比例模型试验的主要结论 (1)土工格室的布置以上密下疏的形式最为有利,这样既节省材料,又可得到良好效果。 (2)采用双层土工格室加固台后填土效果显著,在经济条件容许的情况下可适当加大格室用量。 (3)
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