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随着国民经济的快速发展,我国城乡公路网日益加密,全国耕地面积急剧减少,交通发展面临的环境和资源约束的矛盾更加突出。在这种情况下,继续沿用传统的高填路基,交通发展将难以为继。因此,低路堤是今后高速公路建设的发展趋势。对于低路堤,地下水位变化对路基土的含水量产生显著影响,含水量的变化必将影响路基土体的强度特性,从而使路基路面各结构层在荷载作用下的应力、应变响应发生相应的变化,影响路面的正常运行和使用寿命。可见,地下水位变化引起的湿度变化对路基性能的影响是低路堤方案的关键技术问题。本文以室内试验、理论分析及数值模拟相结合的研究手段,开展了路基湿度与回弹模量的关系以及湿度变化对路基性能的影响研究,并提出了基于动力分析的路基合理高度控制方法,进而研究了满足路基顶面动变形控制要求的低路基合理高度。具体研究内容如下:
1.以洪山粘土为研究对象,对其进行了基本物性试验、土水特性试验及回弹模量试验,为湿度变化对路基性能的影响研究提供了基础资料。
2.基于孔隙比和含水量随净应力和基质吸力变化的特征,建立孔隙比和含水量与净应力和基质吸力之间的关系式,并结合非饱和土的本构关系,得到弹性模量E和H及体积模量Ew和Hw与净应力和基质吸力之间的关系。然后采用试验数据拟合孔隙比-净应力-基质吸力三维曲面及体积含水量-净应力-基质吸力三维曲面,得到弹性模量E和H及体积模量Ew和Hw与净应力和含水量关系式中的参数,并分析了净应力和含水量对这4个模量的影响的规律性。
3.基于非饱和土的水力耦合机理,由渗流与变形计算的基本方程推导了平面应变水力耦合问题的控制方程组,结合试验得到的非饱和压实土含水量和模量的关系建立了地下水位变化作用下的路基湿度及变形的动态响应模型,并分析压实度和地下水位对路基性能的影响规律。
4.根据弹性层状理论建立了路基路面体系模型,通过传递-反射矩阵方法对汽车动荷载作用下的应力、变形进行求解。同时结合路基顶面动变形控制标准及路基湿度和回弹模量的试验结果,提出了基于动力分析的路基合理高度控制方法,通过该方法研究了不同路面结构组合、不同地基条件及不同路基压实度下,满足路基顶面动变形控制要求的路基高度和湿度范围,在此基础上提出了合理的路基高度及湿度建议值。
5.在上述试验和理论研究成果的基础上,提出路基湿度及模量控制的工程技术措施。