关于路基路面结构的粘弹塑性浅析
【摘要】：路基路面结构是一个多层结构体系,路基是在天然地表面按照道路的设计线形(位置)和设计横断面(几何尺寸)的要求,开挖或堆填而成的土石结构物。本文通过粘弹塑性理论分析,与传统的层状弹性计算方法相比较,粘弹塑性既能反映路基路面结构对行车荷载大小的应力及变形响应,又能获得不同行车作用时间下路基路面的塑性变形。对路基路面结构的受力机理作出更充分的解释。
【关键词】：路基,路面,粘弹塑性,流变模型
一、概述
路面是在路基顶面,承受车辆的荷载,用各种混合料铺筑而成的层状结构物"路基是路面结构的基础,为路面结构长期承受汽车荷载提供了重要的保证。路面结构层又保护了路基,避免直接经受车辆、大气和水分的破坏作用,从而长期处于稳定状态。20世纪70年代起,我国道路科技工作者就已对刚性、柔性路面设计进行较系统而具有相当规模的研究。在力学基础理论方面,运用解析法及有限单元法建立了弹性力学层状结构、弹性地基板体结构模型,形成了整套分析计算方法。这虽然从数学上简单近似地模拟了所要解决的实际工程问题,但却不能完全真实反映材料在工作状态下表现的特性。路基路面结构由弹性过渡到弹塑性理论来设计计算,无疑是一个巨大的飞跃。就路基路面结构的稳定性及强度而言,如果变形只局限在弹性范围,将无法从力学机制上有说服力地解释诸如路基路面结构早期发生破坏的实质。只有从材料弹塑性变形的观点来分析,才能比较清楚地说明这一问题。路基路面结构的变形都是蠕变型的,对路基和地基以及沥青路面结构,其蠕变性就更为显著。而弹塑性变形学说是对结构发生的变形看作瞬时完成来处理的,无法反映其时间效应,这点和线弹性情况完全相同。因而无法解释诸如:在许多情况下路基路面结构并不是在重复车辆荷载作用之初就瞬间失稳或立即发生强度破坏，也不能很好地说明汽车荷载对路基路面结构的形变压力并不是一开始就达到其最大值,而是随时间增大逐渐加大,经常需要延续一个很长时期才渐趋稳定;即使在变形基本稳定以后,路基路面结构内还会产生应力松弛现象。因此,只有考虑路基路面结构材料时效的流变效应,改用粘弹塑性理论对路基路面结构中存在的一些问题进行更细致的分析研究,才能对路基路面结构从受力机理上作出充分的阐述,给出合理的解释,最后得到较为正确的结论。
二、理论分析
弹性、塑性和粘性是物质材料的三种基本的理想力学性质,它们分别在一定的条件下独自反映各自的力学特性。因此代表这三种力学性质的理想模型,在固体力学中称为简单模型。而在自然界和工程界是实际材料,则可用这些模型的某种组合来构成,称其为复杂模型。对于简单模型,它可以通过反映这三种力学性质的基本元件来表示,即反映弹性的弹性固体(又称体)、反映粘性的粘滞液体(又称2流体)和反映塑性的塑性固体(又称.塑性体)。复杂模型便是用这些基本的元件,如弹簧、粘壶、摩阻件等来反映材料的性质,通过这些基本元件的相互并联或串联形成复杂的模型。复杂的粘弹塑性力学性质也可以通过线性粘弹塑性模型理论来体现,对于模型理论,它是采用一些基本元件来代表材料的某些性质,具体几种典型的流变模型有如2体、体、标准线性体和广义的体。
1、粘弹塑性力学模型
大量室内试验和现场测试都表明,路基路面结构在恒定应力状态下,其应变E(t)依时间的发展过程分为四个阶段,即瞬时弹性应变阶段,初始蠕变阶段,定常蠕变阶段和加速蠕变阶段。相应的应变可表示成E1,E2,E3,E4,见图1。即有在理论分析中,用虎克体(体)来模拟瞬时弹性应变时的路基路面结构材料,用凯尔文体(体)来模拟初始蠕变阶段的路基路面结构材料,用宾汉姆体(体)来模拟定常蠕变阶段时的路基路面结构材料。至于加速蠕变阶段的路基路面结构材料的变形可通过分析塑性应变软化的变形特征得到。因此路基路面结构应变全过程可用虎克体、凯尔文体和宾汉姆体相串联的/弹-粘弹-粘塑性流变模型来模拟。采用有限元法对路基路面结构进行应力分析时,每个单元的土体应力将分别属于以下三种情况之一。
(1)该单元土体应力变化始终未达到屈服强度,其应变为(2)式。{E}={E}+{E}(2)
(2)该单元土体应力变化已超过屈服强度,其应变为(3)式。{E}={E}+{E}(3)
(3)该单元土体应力先是处于弹性阶段,而后逐渐发展进入塑性阶段,其应变为(4)式。{E}={E}+{E}+{E}(4)在平面应变状态下,瞬时弹性应变{E}可由式(5)求得。{E}=1E1[A]#{R}(5)在平面应变状态下,粘弹性应变{E}因为是时间的函数,计算时要对时间进行离散,并假定土体应变在选取的尽可能小的时步$t内保持不变,这样在(t+$t)时刻的粘弹性应变为(6)式。
{E}+$=e-b#$t#{E}+ab[A]{R}(1-e-b#$t)(6)在平面应变状态下,粘塑性应变也是时间t的函数,计算时也要对时间进行离散,同样假定土体应变在选取的尽可能小的时步$t内保持不变,这样在(t+$t)时刻的粘塑性应变为(7)式。{E}+$=FG2#5Q5{R}#$t+{E}(7)
三、结束语
理论和实践都已证明,粘弹塑性理论是与路基路面结构的真实受力性态相吻合的。路基路面结构的粘弹塑性分析,较之按弹性理论和弹塑性理论计算又向前迈进了一步。它不仅具有学术上和理论上的意义,而且在解决工程实际问题方面也有重要价值。
【参考资料】
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