刚性路面板的试验研究
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摘要
本课题在国家自然科学基金项目“混凝土路面板相似理论与损伤诊断研究”(批准号59978015)资助下，进行了不同厚度、不同几何相似比的9块刚性路面板的试验研究。主要内容包括：
1、根据静力荷载下不同相似比的刚性路面板下的土压力测试结果，结合应用相似理论对弹性地基板所作的分析，指出同一场地土上几何尺寸相似的弹性地基板在静载下的力学性能相似。
2、证明相似定律是依尺寸相似比的乘幂关系的规律。试验结果证实了威斯特卡德公式在计算板中与板边加载时荷载随厚度变化关系的正确性。对于板角加载的情况，不具有威氏公式所描述的特点。
3、在分析土体力学性质的基础上，提出土基放大效应的概念，解决刚性路面板计算理论不统一的问题，并解释一些刚性板的工作情况。编制非线性有限元程序，与实测结果对比，证实了土基放大效应概念的合理性。
4、考虑材料尺寸效应，拟合出几何相似的板对于极限荷载的相似规律。所得的公式与Z.P.Bazant用断裂力学方法推得的相似关系比较接近。在此基础上给出了基于缩尺板试验的确定刚性路面板静载下的极限荷载的半弹性方法。这是相似规律能应用于工程实际的关键一步。
5、通过分析极限荷载随板厚的变化，发现板的极限荷载所对应的荷载位置会随板厚的增大发生变化。这是以往弹性分析所没有揭示的结果。板厚超过43cm时，极限荷载以板中加载控制为主。
6、由相似分析得到了几何相似的弹性地基板的频率相似关系。振动测试结果表明，这个关系是基本正确的。
The work presented in this thesis is part of the research project-Similitude Laws and Nondestructive Diagnosis on Concrete Pavements, which is supported by China National Science Foundation. 9 slabs were tested to failure with factors of slab thickness, size ratio of geometrically similar slabs and loading place taken into account. The main contents include:
1. The mechanics performances of geometrically similar slabs under static load on the same elastic foundation are similar, according to the analysis of slabs with similitude laws and tests of soil stress under rigid pavements with different size ratios.
2. The scaling law is a power law if, and only if, a characteristic dimension is absent. The experiments result proved the correctness of Westergaard equations when the load was applied to the middle or the edge of slabs. The situation, which the load was applied to the corner of slabs, was different from what Westergaard equation described.
3. Based on the analysis of the mechanic characteristics of the earth, a concept, the magnifying effect of the subbase, was proposed to eliminate the disunity in calculations. Many facts in concrete pavements can be explained by using this concept. A numeric example using the finite element method was given to show the correctness and effect of the concept.
4. A fitted equation was given to ultimate load of geometrically similar slabs with size effects taken into account. The equation approached what deduced by Z. P. Bazant with mechanics of failure. A quasi-elastic method was proposed to decide the maximum load of rigid pavements under static load on the basis of experiments of reduced scale slabs, which was the key point for the similitude law to be used practically.
5. It was found that the load location changed with the thickness of slabs increasing through the analysis of the relationship between ultimate load and slab thickness. It was never found by any elastic analysis before. The ultimate load was controlled by the load on the middle of slabs when the slab thickness was more than
approximately 43 cm.
6. The similitude law was deduced by analysis of the differential equation of slabs on elastic foundation. The law was proved by the dynamic tests.
1、根据静力荷载下不同相似比的刚性路面板下的土压力测试结果，结合应用相似理论对弹性地基板所作的分析，指出同一场地土上几何尺寸相似的弹性地基板在静载下的力学性能相似。
2、证明相似定律是依尺寸相似比的乘幂关系的规律。试验结果证实了威斯特卡德公式在计算板中与板边加载时荷载随厚度变化关系的正确性。对于板角加载的情况，不具有威氏公式所描述的特点。
3、在分析土体力学性质的基础上，提出土基放大效应的概念，解决刚性路面板计算理论不统一的问题，并解释一些刚性板的工作情况。编制非线性有限元程序，与实测结果对比，证实了土基放大效应概念的合理性。
4、考虑材料尺寸效应，拟合出几何相似的板对于极限荷载的相似规律。所得的公式与Z.P.Bazant用断裂力学方法推得的相似关系比较接近。在此基础上给出了基于缩尺板试验的确定刚性路面板静载下的极限荷载的半弹性方法。这是相似规律能应用于工程实际的关键一步。
5、通过分析极限荷载随板厚的变化，发现板的极限荷载所对应的荷载位置会随板厚的增大发生变化。这是以往弹性分析所没有揭示的结果。板厚超过43cm时，极限荷载以板中加载控制为主。
6、由相似分析得到了几何相似的弹性地基板的频率相似关系。振动测试结果表明，这个关系是基本正确的。
The work presented in this thesis is part of the research project-Similitude Laws and Nondestructive Diagnosis on Concrete Pavements, which is supported by China National Science Foundation. 9 slabs were tested to failure with factors of slab thickness, size ratio of geometrically similar slabs and loading place taken into account. The main contents include:
1. The mechanics performances of geometrically similar slabs under static load on the same elastic foundation are similar, according to the analysis of slabs with similitude laws and tests of soil stress under rigid pavements with different size ratios.
2. The scaling law is a power law if, and only if, a characteristic dimension is absent. The experiments result proved the correctness of Westergaard equations when the load was applied to the middle or the edge of slabs. The situation, which the load was applied to the corner of slabs, was different from what Westergaard equation described.
3. Based on the analysis of the mechanic characteristics of the earth, a concept, the magnifying effect of the subbase, was proposed to eliminate the disunity in calculations. Many facts in concrete pavements can be explained by using this concept. A numeric example using the finite element method was given to show the correctness and effect of the concept.
4. A fitted equation was given to ultimate load of geometrically similar slabs with size effects taken into account. The equation approached what deduced by Z. P. Bazant with mechanics of failure. A quasi-elastic method was proposed to decide the maximum load of rigid pavements under static load on the basis of experiments of reduced scale slabs, which was the key point for the similitude law to be used practically.
5. It was found that the load location changed with the thickness of slabs increasing through the analysis of the relationship between ultimate load and slab thickness. It was never found by any elastic analysis before. The ultimate load was controlled by the load on the middle of slabs when the slab thickness was more than
approximately 43 cm.
6. The similitude law was deduced by analysis of the differential equation of slabs on elastic foundation. The law was proved by the dynamic tests.
引文
[1] 黄卫，钱振东．高等水泥混凝土路面设计理论与方法．北京：科学出版社，2000
[2] 傅智，王彦莹，何厚坤 等．水泥混凝土路面设计规范修改建议．见：2000年道路工程学会学术交流会论文集．北京：人民交通出版社，2000：100-104
[3] 邓学钧，黄晓明．路面设计原理与方法．北京：人民交通出版社．2001
[4] R.L.Kondner. Hyperbolic Stress-Strain Response: Cohesive Soils. Journal of ASCE, 1963, 89(SM1):115-143
[5] 宰金珉，宰金璋．高层建筑基础分析与设计—土与结构物共同作用的理论与应用．北京：中国建筑工业出版社．1993
[6] J.M. Duncan, Chang C Y. Non-Linear Analysis of Stress and Strain in Soils. Journal of ASCE, 1970,96(SM5): 1629-1653
[7] L.Domashuk, Volliappan P. Non-Linear Settlement Analysis by Finite Element. Proc. ASCE. J. GT, 1975,101(GT7):601-614
[8] 曲庆璋，章权，季求知 等．弹性板理论．北京：人民交通出版社．2000
[9] Badie S S, Salmon D C. A quadratic order elastic foundation finite element. Computers & Structures, 1996,58(3): 435-443
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[11] Badie S S, Salmon D C, Three-noded curved isoparametric soil interface element. Computers & Structures, 1997,65(2): 205-212
[12] 朱照宏，王秉纲，郭大智．路面力学计算．北京：人民交通出版社，1985
[13] 龙驭球．有限单元法讲义．湖南大学，2002
[14] 龙志飞，岑松．广义协调元理论与四边形面积坐标方法．北京：中国矿业大学出版社，2000
[15] Cheung Y K, Nag D K, Plates and Beams on Elastic Foundations: Linear and Nonlinear Behaviour. J. Geotechnique, 1968,18(4):504-523
[16] 朱百里，沈珠江等编著．计算土力学．上海：上海科学技术出版社，1990
[17] (美)黄仰贤 著．余定选，齐诚 译．路面分析与设计．北京：人民交通出版社，1998
[18] 资建民．荷载和环境作用在水泥混凝土路面内产生的应力．中南公路工程．2000，25(2)：17-23
[19] 邓学钧，陈荣生．刚性路面设计．北京：人民交通出版社，1990
[20] 景天然，严作人．水泥混凝土路面温度状况的研究．同济大学学报，1980，8(3)：88～97
[21] 浙江省台州地区公路总段等．水泥混凝土路面疲劳试验研究初步总结报告．南京工学院学报，1978，1(2)：35-47
[22] 姚祖康，恒腊元，冷培义 等．水泥混凝土路面荷载应力计算理论的试验验证．同济大学学报，1981，6(1)：68-77．
[23] 同济大学等．水泥混凝土路面板边板角受荷时理论解的试验验证．华东公路，1982，7(1)：37-51
[24] 翁兴中，吴彰春，冷培义 等．水泥混凝土板与基础共同作用的疲劳特性．土木工程学报，1996，29(3)：43-48
[25] 王林玉，谢新宇，朱向荣 等．循环荷载作用下路面模型试验研究．西安公路交通大学学报，1999，19(4)：11-14
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[28] 肖益民，丁伯承．水泥混凝土路面与基层接触状况的研究．公路，2000，9(1)：32-34
[29] 武和平，陈全军，彭勇登．刚性路面基垫层材料参数及结构试验研究．中南公路工程，1999，24(1)：1-3
[30] 陈云鹤，唐崇钊，邓学钧．配筋混凝土粘弹性参数的徐变试验研究．工程力学，2000，17(5)：105-110
[31] 朱伯芳．关于可靠度理论应用于混凝土坝设计的问题．土木工程学报，1999，32，(4)：10～14
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[33] 刘西拉．我国结构工程学科应优先发展的领域．土木工程学报，1993，26(4)：21—28
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[50] Bazant Z P, Yunping Xi, Stuart G. Reid. Statistical size effect in quasi-brittle structures: I. Is Weibull theory applicable? Journal of Engineering Mechanics, 1991,117(11): 2609-2622
[51] Bazant Z P, Yunping Xi. Statistical size effect in quasi-brittle structures: Ⅱ. Nonlocal theory. Journal of Engineering Mechanics, 1991,117(11): 2623-2640
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[53] Bazant Z P, Drahomir Novak. Probabilistic nonlocal theory for quasi-brittle
fracture initiation and size effect. Ⅰ. Theory. Journal of Engineering Mechanics, 2000,126(2): 166-174
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[55] Bazant Z P, Ferhun C. Caner, Ignacio Carol, et al. Microplane model M4 for concrete. Ⅰ. Formulation with work-conjugate deviatoric stress. Journal of Engineering Mechanics, 2000,126(9): 944-953
[56] Ferhun C. Caner, Bazant Z P. Microplane model M4 for concrete. Ⅱ. Algorithm and calibration. Journal of Engineering Mechanics, 2000,126(9): 954-961
[57] 江见鲸 主编．混凝土结构工程学．北京：中国建筑工业出版社，1998
[58] 卢文祥，杜润生．机械工程测试 信息 信号分析．武汉：华中理工大学出版社，1999
[59] 杨桂通．土动力学．北京：中国建材工业出版社，2000
[60] [瑞士]J．P瓦尔夫 著．吴世明，唐有职，陈龙珠 译．土一结构动力相互作用．北京：地震出版社，1989
[61] 交通部公路规划设计院．公路工程抗震设计规范(JTJ 004—89)条文说明．北京：人民交通出版社，1992
[62] 孙晓立．路面结构反分析方法研究．[硕士学位论文]．长沙：湖南大学土木工程学院，2002
[63] [美]罗伯特L.威格尔 编．中国科学院工程力学研究所译．北京：地震工程学，1978
[64] U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration. Rigid Pavement Design Software-For the 1998 Supplemem to the AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. www.tfhrc.gov/pavement/ltpp/ppt/rigl.ppt,2002
[2] 傅智，王彦莹，何厚坤 等．水泥混凝土路面设计规范修改建议．见：2000年道路工程学会学术交流会论文集．北京：人民交通出版社，2000：100-104
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