[发明专利]高速公路路段的路基的性能确定方法、装置及处理设备

权利要求书

1.一种高速公路路段的路基的性能确定方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S101，处理设备采用Odemark模量和厚度当量假定，将目标高速公路路段的公路结构简化为三层模型；

步骤S102，所述处理设备在所述三层模型的基础上，将所述目标高速公路路段的基层设为弹性介质以及将所述目标高速公路路段的路基设为非饱和多孔介质，推导得到刚性路面控制方程、柔性路面和基层的控制方程、非饱和路基控制方程；

步骤S103，所述处理设备根据车辆荷载作用形式，分别将所述刚性路面控制方程、所述柔性路面和基层的控制方程、所述非饱和路基控制方程中变量的时间项设为简谐形式并分离出来，再利用双重Fourier变换分别将所述刚性路面控制方程、所述柔性路面和基层的控制方程、所述非饱和路基控制方程中对三维空间域的偏导降为常微分方程，求解之后得到不同层位的单元刚度矩阵，再建立总体动力刚度矩阵；

步骤S104，所述处理设备根据具体车辆确定荷载形式和大小，作为边界条件代入对应模型的刚度矩阵中求解，得到待求参数在频域内的解；

步骤S105，所述处理设备采用快速Fourier逆变换将待求参数在频域内的解转换成在时域内的解f，其中，所述时域内的解f为应力{τ_xz,s τ_yz,s τ_zz,s p_w p_α}、位移{u²_x u²_y u²_z W²V²}、速度v_ij、加速度a_ij；

所述步骤S101中，所述三层模型为：

其中，H_e为等效厚度，E为需要进行换算层的模量，H为需要进行换算层的厚度，E₁为目标层的模量；

所述步骤S102中，所述刚性路面控制方程为：

其中，D_p＝E_ph_p³/[12(1-μ_p²)]是路面板的弯曲刚度，W(x,y,t)是路面板的竖向位移，E_p、ρ_p和h_p分别是路面板的模量、密度和厚度，f(x,y,t)是板上承受的交通荷载，是基层给路面板的反作用力，

所述柔性路面和基层的控制方程为：

其中u^b是层的位移，G_b和λ_b是层的拉梅常数，ρ_b是层的密度，τ^b是层的应力，τ^b和ε^b分别表示层的应力和应变，δ_ij为Kronecker符号，

所述非饱和路基控制方程为：

其中，A₂₄＝1，a＝1-K_b/K_s，K_b和K_s分别为土骨架和土颗粒的体积压缩模量，p_w和p_a分别表示孔隙水和气体的压力，ρ_w和ρ_a分别为孔隙水和气的密度，W_i和V_i为孔隙水与孔隙气体在i方向上相对土颗粒的位移分量，g代表重力加速度，k_w和k_a分别表示孔隙水和孔隙气体的渗透系数；χ为有效应力参数，α、m和d为土水特征曲线模型拟合参数；S_e为有效饱和度，S_w0为束缚饱和度，n为土体孔隙度，S_r表示饱和度；

所述步骤S103中，所述双重Fourier变换为：

其中，β和γ分别为x和y方向上的波数，f和分别为空间域和相应变换域内的变量，

刚性路面在变换域内的控制方程为：

变换域内柔性路面的应力应变关系为：

其中，矩阵中元素的上标0表示层顶面，矩阵中元素的上标1表示层底面，应力向量[D^p]为路面的位移矩阵，[S^p]为路面的应力矩阵，位移向量[K^p]＝[S^p][D^p]^-1为该层的动力刚度矩阵，c、c₁和c₂分别为交通荷载速度、弹性介质的压缩波速和剪切波速，ω＝Ω₀-βc，h代表该层的厚度，i为虚数，

在变换域内弹性基层的应力应变关系为：

在变换域内非饱和路基的应力应变关系为：

其中，B_wn＝ω²ρ_wS_nλ_n-f_wnλ_n，B_an＝ω²ρ_aS_nλ_n-f_anλ_n，B_n＝2μS_nλ_n²+λ-aχf_wn-a(1-χ)f_an·，d_n为方程d_n³+b₄d_n²+b₅d_n+b₆＝0的根，b₄＝-b₁₂-b₃₃-b₂₁，b₅＝b₁₂b₃₃-b₁₃b₃₂+b₂₁b₁₂+b₂₁b₃₃-b₂₂b₁₁-b₂₃b₃₁，b₆＝-b₂₁b₁₂b₃₃-b₁₃b₃₁b₂₂-b₂₃b₁₁b₃₂+b₂₁b₁₃b₃₂+b₂₂b₁₁b₃₃+b₂₃b₃₁b₁₂，n＝1,2,3，b₁₁＝b^aρ_aA₁₁，b₁₂＝b^aρ_aA₁₂，b₁₃＝ω²ρ_a+b^aρ_aA₁₃，b₂₁＝b^wρ_wA₂₁，b₂₂＝b^wρ_wA₂₂，b₂₃＝ω²ρ_w+b^wρ_wA₂₃，

柔性路面高速公路模型的总体刚度矩阵为：

其中，上标0,1,2对应所述三层模型中从上往下所示的不同层位，[K^f]为11×11的矩阵，

刚性路面高速公路模型的总体刚度矩阵为：

其中，[K^r]为8×8的矩阵；

所述步骤S104中，所述具体车辆确定荷载形式和大小为：

其中，P代表车辆的总轴载，在移动坐标系中x＝x₁-Vt，y＝y₁，z＝z₁，

在变换域内，所述具体车辆确定荷载形式和大小为：

所述刚性路面高速公路模型的边界条件为：

所述刚性路面高速公路模型的边界条件，去掉时间项后表示为：

其中，B₃₃是[K^r]^-1中的第三行第三列的元素，与竖向位移对应，

所述柔性路面高速公路模型的边界条件为：

所述柔性路面高速公路模型的边界条件，去掉时间项后表示为：

其中，对于所述刚性路面高速公路模型，将对应边界条件带入所述刚性路面高速公路模型的总体刚度矩阵，对于所述柔性路面高速公路模型，将对应边界条件带入所述柔性路面高速公路模型的总体刚度矩阵，得到各个面上的位移，将路基顶面的位移代入在变换域内非饱和路基的应力应变关系中求得在频域内路基内部任意位置处的应力和位移路基的振动速度和加速度可通过位移计算出速度加速度