交通荷载对路基作用的理论研究现状初探

■丁庆峰

（广东省水文地质大队　广东　广州　510510）

交通荷载对路基作用的理论研究现状初探

■丁庆峰

（广东省水文地质大队广东广州510510）

对国内外有关交通荷载下路基土动力学特性研究的文献和资料的阅读、分析，从交通荷载作用的理论研究方面对目前的研究进展进行综述。

交通荷载路基

有关在循环交通荷载作用下路基土的动力特性的研究中，国内外众多学者已经在理论分析、试验研究、原位监测、数值模拟计算等方面开展了研究，并获得了一些很有价值的研究理论和有意义的研究成果。下面将从路基受交通荷载作用的理论研究，对国内外学者已取得的成果进行梳理，并介绍说明可以进一步完善发展的方面，为以后开展的分析和探讨提供理论和实践意义上的支持。

H．Bufler及Bahar[1]分别在1971年和1972年将传递矩阵法应用到弹性层状体系理论中，之后该方法广泛应用到路基路面结构的力学分析中；张洪亮等[2]将车辆荷载简化为矩形均布荷载的基础上，然后把柔性路面假定为多层粘弹性半空间体，选用经过修正的平面应变模型，并考虑到路基土对应变幅的依赖性，运用传递矩阵Laplace变换和Fourier变换，对恒定交通荷载作用下柔性路面的动力响应进行了分析，并运用模型试验对理论计算结果进行了验证；茵润华[3]运用弹性层状体系理论，计算和分析了交通荷载作用下路基顶部和路基内的附加应力，并给出附加应力在路基顶部的平面分布规律以及在深部方向的分布规律；梁毅超等[4]基于弹性层状体系理论计算了不同路面结构、不同车辆轴质量下，沥青路面路基下的竖向附加应力分布规律，探讨了交通荷载作用下沥青路面粉土路基的变形规律；凌建明等[5]基于弹性层状理论计算了交通荷载作用下路基顶部及路基土体单元中的垂直应力，并建立了路基附加动应力的模式；汤连生等人[6~9]通过对二维或三维弹粘性体及粘弹性层状路基的力学模型分析，给出了一些十分有价值的研究成果。

Sneddon[10]最早提出了在弹性半空间的表面施加匀速的移动荷载问题，推导出在移动荷载作用下弹性半空间的积分表达式；Jones和Petyt[11~12]将地基简化为半空间弹性体，利用Fourier变换研究了矩形和条形均布荷载作用下的地基响应；张峋青，刘维宁，张振刚等[13]采用Duhamel积分和动力互等定理，给出了移动荷载作用下半无限弹性空间中连续介质上的任意点动力响应的广义Duhamel积分表达式；蒋建群，周华飞等[14]分析了移动集中荷载作用下弹性半空间的稳态响应，并对弹性半空间内部的动力响应及表面的位移进行了解答；Hungh[15]把地基模拟简化为粘弹性半空间，对不同类型的车辆荷载和不同的车辆行驶速度作用下地面的响应进行了研究；牛玺容等[16]在把路基假定为弹性均质体的前提下，分别计算了集中轮载和均布荷载下路基及基底内竖向附加应力和总应力。

Hardy和Cebon[17]将地基土假定为Winkler弹性地基模型，路面假定为Euler梁模型的基础上，研究了移动荷载作用下公路的基本响应（应力、应变、位移）；Huang和Thambiratnam[18][19]将土体假定为Winkler弹性介质的基础上，对移动荷载作用下土体的动力响应进行了研究；谢伟平、王国波[20]将轨道-枕木-碎石垫层作为一个整体进行分析，通过把轨道系统简化模拟为弹性地基梁，以移动荷载下的轨道系统作为研究对象，经过动力响应和反映谱的计算，分析了其动力特性。

竹宫宏等[21]运用GREEN法和分层法对移动简谐荷载作用下地基-轨道体系的动力响应进行了计算；孙常新等[22]对车辆高速行驶条件下的路基动力响应问题进行了研究，分析了动应力分布的影响因素；倪光乐等[23]把路基的非线性特性应用到弹性板基础与其相互作用的分析中，经过计算表明，考虑路基的非线性时，路基的反力以及弹性板的受力情况得到改善，而且计算结果更接近实际；仇敏玉[24]运用粘弹性边界元有限元模型，对行车荷载在道路中的有效传播深度进行了研究，研究表明，用附加动应力大小作为行车荷载有效传播深度的控制标准不足以反映车辆荷载对道路沉降的影响。

在交通荷载作用下路基土动力特性的理论研究中，国内外学者对路基模型的简化模拟主要是做了以下三方面的假设：（1）将路面或路基假设成为Winkler弹性地基；（2）把路基或者是路面看作是线弹性、粘弹性的均质同性体或成层的半空间体；（3）将路基土看作为饱和土体。

而基于弹塑性力学理论对路基土在交通荷载下的动力特性的研究较少。廖化荣[25]运用双屈服面理论以及等价粘塑性理论，通过对试验函数和参数的拟合，借助于安定理论，建立了考虑主应力轴旋转的交通荷载下路基软土的双屈服面等价粘弹性动本构模型，以及有效动应力的累积方程，但是研究对象为饱和的路基软粘土；王仕传等[26]运用有限单元法，对交通荷载下加筋路基土进行动力分析，在对影响塑性应变累积因素进行分析的基础上，给出了加筋可以减少路基土残余变形的机理。

典型的道路路基路面结构自上而下包括面层、基层、底基层、路堤和天然路基五部分，面层、基层、底基层、路堤一般处于地下水位之上，一般是非饱和的，而天然路基土既有可能是饱和的，也有可能是非饱和的，而粘性土即使处于地下水位以下也有可能是处于非饱和的状态[27]。处于状态的非饱和路基土的动力特性及应力传递模式决定了不同路基深度上动附加应力和动应变的大小，并且微观上也改变了土体饱和度、粒间吸力及湿吸力等，这种影响反映在宏观上则表现为路基土体强度和变形的变化。因此，将路基土体假定为饱和土体来研究是有其局限性的。

交通荷载是路基病害产生的动力来源，对交通荷载的研究，不同的学者从各自的角度出发进行了相应的研究，并且有很大的实用价值。但是基于路基受交通荷载作用的角度，大部分研究是把交通荷载模拟简化为等效的静力荷载，对其动载特性的研究则比较少。交通荷载作用下路基土的动力特性与其静力特性有本质的区别，将交通荷载简化为静荷载有一定的局限性，因此需要对交通荷载的特性进行分析，并给出合适的交通荷载表达方式。由于道路结构系统的复杂性，在交通荷载下路基土的动力学特性的理论研究方面，多是把路基假定为Winkler地基梁或弹性、粘弹性层状体系或均质同性体，没有或很少考虑到路基土体的弹塑性。在理论求解时关于考虑主应力轴旋转的解答比较少，而交通荷载的特征加卸载方式为主应力轴旋转。

[1]Bufler H.Theory of elasticity of a multilayered medium[J].Journal of Elasticity，1971，1(2)：125-143.][Bahar L Y.Transfer matrix approach to layered systems[J]. Journal of Engineering Mechanics Division，ASCE，1972，98(5)：1159-1172.

[2]张洪亮，胡长顺，许伟清.移动荷载作用下柔性路面的动力响应 [J].长安大学学报(自然科学版)，2005，05:6-10.

[3]茵润华.沥青路面弹性层状体系的三维有限元仿真分析 [J].交通科技，2006，1.

[4]梁毅超，杨戈，钱劲松.行车荷载作用下路基附加应力动态分析 [J].城市道桥与防洪，2012，No.16412:159-161+15.

[5]凌建明，王伟，邬洪波.行车荷载作用下湿软路基残余变形的研究 [J].同济大学学报 (自然科学版)，2002，11:1315-1320.

[6]汤连生，林沛元，吴科，等.交通荷载下层状路基动附加应力的弹性计算模型 [J].岩石力学与工程学报，2009，28(11)：2208~2214.

[7]汤连生，徐通，林沛元，等.交通荷载下层状道路系统动应力特征分析 [J].岩石力学与工程学报，2009，28(S1)：3876~3884.

[8]汤连生，林沛元，吴科，等.单点动载下路基动应力状态及有效作用半径分析 [J].岩石力学与工程学报，2011，30(2)：4056~4063.

[9]汤连生，林沛元，吴科，等.交通荷载下路基土中动应力响应特征分析 [J].岩土工程学报，2011，33(11)：1745-1749.

[10]LN.Sneddon.Fourier tansforms.New York，NY：McGraw-Hill，1951.

[11]D.V Jones and M.Petyt.Ground Vibration in the Viciniiy of a Rectangular Load on Half-Space.Journal of Sound and Vibration，1993，166（1）：141~159.

[12]D.V Jones and M.Petyt.Ground Vibration Due to a Rectangular Harmonic lead.Journal of Sound and Vibration，1998，212（1）：61~74.

[13]张峋青，刘维宁，张振刚.列车荷载作用下周围物体的动力响应解 [J].铁道学报，2003，25(4):85~88.

P641.4+3[文献码]B

1000-405X（2016）-9-373-1