基于土基模量的非線性反演分析及其應(yīng)用研究

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1、鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文土基模量的非線性反演分析及其應(yīng)用研究姓名：孫建兵申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：王復(fù)明;樂金朝2002.5.1Y《2897，6捅要，(、隨著交通事業(yè)的發(fā)展，人們清楚地認(rèn)識(shí)到，道路網(wǎng)的狀況對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響是極為重要的，世界各國(guó)在道路工程中的投資也越來越多，路網(wǎng)的科學(xué)化管理已成為迫切需要和研究熱點(diǎn)。科學(xué)地管理路面，首先要科學(xué)地檢測(cè)和評(píng)價(jià)路面，通過定期的檢測(cè)評(píng)定，判斷其未來的可能性狀，為路面管理系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供必要的技術(shù)資料。1為了科學(xué)地檢測(cè)和評(píng)價(jià)路面，近二十年來，路面無損檢測(cè)和材料性能反演問題的研究在國(guó)際上受到日益

2、廣泛的重視。開展路面無損檢測(cè)與材料性能反演問題研究，將在控制道路施工質(zhì)量、深入認(rèn)識(shí)路面長(zhǎng)期使用性能、改善路面設(shè)計(jì)、優(yōu)化道路改造方案及提高路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)水平等方面具有重大意義。許多國(guó)家相繼開發(fā)出了各種新型檢測(cè)設(shè)備，并建立了較為完善的檢測(cè)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)。彎沉作為最普遍的路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)，其檢測(cè)技術(shù)和分析技術(shù)發(fā)展很快。自1953年發(fā)明梁式彎沉儀以來，路面彎沉檢測(cè)設(shè)備已從靜力彎沉儀發(fā)展到模擬行車荷載作用的落錘式彎沉儀(FWD)，從單點(diǎn)最大彎沉檢測(cè)發(fā)展到對(duì)路面彎沉盆的檢測(cè)。而路面模量反演技術(shù)是伴隨著FWD的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。以FWD為代表的最新型的彎沉檢測(cè)設(shè)

3、備以其高速、可靠、無損及信息量豐富等特點(diǎn)，使得直接用測(cè)試彎沉反算出路面各結(jié)構(gòu)層模量成為可能，從而可以進(jìn)一步分析出路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，評(píng)價(jià)路面的承載能力。因此，路面模量反演技術(shù)迅速成為國(guó)際上研究與推廣的重要內(nèi)容，并開發(fā)出了十幾個(gè)應(yīng)用軟件和程序。i但是，目前應(yīng)用較為廣泛的路面模量反分析軟件基本上都是建立在軸對(duì)稱、層狀線彈性體理論基礎(chǔ)上的，如Modulus、Modcomp、Wesdef、Sidmod等。這類軟件的優(yōu)勢(shì)是與目前的設(shè)計(jì)理論相吻合，并且反演速度非?？欤煌瑫r(shí)，其缺陷也較為明顯，即忽略了路面材料的非線性特性，由此將必然產(chǎn)生誤差。尤其是在進(jìn)

4、行土基材料特性反演時(shí)，如果忽略其非線性特性，將會(huì)導(dǎo)致反算出的土基模量偏大。因此，在進(jìn)行路面材料尤其是土基材料特性反演時(shí)，進(jìn)一步考慮材料的非線性性質(zhì)，采用更符合實(shí)際路面的力學(xué)模型，是路面結(jié)構(gòu)層材料特性反演的必然發(fā)展方向。本文主要針對(duì)這～問題，在有限元方法和系統(tǒng)識(shí)別原理的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)穆访媪W(xué)模型，對(duì)基于土基線性考慮的路面結(jié)構(gòu)層模量和土基的非線性材料特性進(jìn)行了反演分析，從而進(jìn)一步對(duì)其整個(gè)路面系統(tǒng)作出評(píng)價(jià)。本文研究工作的主要內(nèi)容如下：l、介紹了用于計(jì)算路面材料非線性變形特性的幾種非線性彈性模型，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。闡述了在進(jìn)行土基材料非

5、線性特性反演時(shí)，不同的土基材料所應(yīng)采用的相應(yīng)的非線性特性模型。2、系統(tǒng)介紹了當(dāng)前一種新型的路基壓實(shí)作用機(jī)械一一藍(lán)派沖擊壓實(shí)機(jī)。它憑借巨大的沖擊能量和相當(dāng)高的行駛速度可獲得深層壓實(shí)效果和極高的壓實(shí)效率，在公路、鐵路和機(jī)場(chǎng)路基處理中得到了日益廣泛的應(yīng)用。并闡述了沖擊式壓路機(jī)的工作原理和特點(diǎn)。依據(jù)沖擊式壓路機(jī)對(duì)土基深層壓實(shí)的實(shí)際作用情況，引進(jìn)一種新的反映土基非線性特性的力學(xué)模型。3、在路面材料非線性模型的基礎(chǔ)上介紹了非線性有限元的處理方法，并對(duì)四結(jié)點(diǎn)、軸對(duì)稱單元進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的有限元分析方法。4、較系統(tǒng)地研究了路面材料性能反演分析的基本方法

6、，主要包括系統(tǒng)識(shí)別方法(SIDMOD)和數(shù)據(jù)庫(kù)搜索法(MODULUS)。介紹了這兩種方法的原理和特點(diǎn)，并對(duì)這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析。本文主要是在系統(tǒng)識(shí)別原理的基礎(chǔ)上，完成了土基模量的非線性反演分析。5、在基于土基線彈性體考慮的基礎(chǔ)上，編寫了用于計(jì)算三層線彈性路面結(jié)構(gòu)位移的有限元程序。并將其計(jì)算結(jié)果同通用程序BISAR計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，獲得了良好的效果；在系統(tǒng)識(shí)別原理的基礎(chǔ)上，編寫了線彈性路面結(jié)構(gòu)層模量反算程序。通過大量數(shù)值算例，驗(yàn)證了系統(tǒng)識(shí)別方法的穩(wěn)定性、收斂性和實(shí)用性。6、在基于土基非線性考慮的基礎(chǔ)上，結(jié)合藍(lán)派沖擊壓實(shí)土基的具體特

7、點(diǎn)，采用本文的土基非線性模型，編寫了用于計(jì)算位移的靜力非線性有限元程序。經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，用于計(jì)算位移是可靠的；應(yīng)用系統(tǒng)識(shí)別方法，編寫了用于反算土基參數(shù)的反算程序。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，反算結(jié)果不受初始值影響，且反算結(jié)果良好。較好地體現(xiàn)了沖擊式壓路機(jī)深層碾壓的實(shí)際情況。實(shí)測(cè)彎沉盆和理論彎沉盆的反演分析表明，由于考慮了土基材料的非線性特性，本文反算出的土基模量分布是合理、可信的。7、針對(duì)藍(lán)派沖擊壓實(shí)問題，基于效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，取得較為理想的。l㈡蔓．11f”。關(guān)鍵詞：3無損檢測(cè)FWD實(shí)際檢測(cè)彎沉數(shù)據(jù)，對(duì)其壓實(shí)效果。丫／非線性系統(tǒng)識(shí)別反演0玄詹’I111—Ab

8、stractAftertwentyyears’reformandopening，wemakemuchprogressinhighwayconstruction．Wi