岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (S1): 678-686.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1048

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考虑非饱和路基性能劣化的路表振动响应研究

张晶1, 2，杨吉红3，卢正1, 4，唐楚轩1, 2，刘杰5   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 湖北交投武天高速公路有限公司，湖北 天门 431701；4. 中国科学院武汉岩土力学研究所 环境岩土工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071； 5. 新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830006
  • 收稿日期:2022-07-15 接受日期:2022-09-21 出版日期:2023-11-16 发布日期:2023-11-21
  • 通讯作者: 卢正，男，1982年生，博士，研究员，主要从事土力学及路基工程方面的研究工作。E-mail: zlu@whrsm.ac.cn E-mail:zhangjing20c@mails.ucas.ac.cn
  • 作者简介:张晶，男，1997年生，硕士研究生，主要从事路基动力响应及路基无损检测方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目（No. 42077261，No. 42077262）。

Vibration response of pavement surface considering unsaturated subgrade performance deterioration

ZHANG Jing1, 2, YANG Ji-hong3, LU Zheng1, 4, TANG Chu-xuan1, 2, LIU Jie5   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Hubei Jiaotou Wutian Expressway Co. Ltd., Tianmen, Hubei 431701, China; 4. Hubei Key Laboratory of Geo-Environmental Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 5. Xinjiang Transportation Planning Survey and Design Institute Co., Ltd., Urumqi, Xinjiang 830006, China
  • Received:2022-07-15 Accepted:2022-09-21 Online:2023-11-16 Published:2023-11-21
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (42077261, 42077262).

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摘要： 为了给应用落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer，简称FWD）准确识别路基性能劣化提供理论基础，建立了考虑路基非饱和特性的弹性层状路面在FWD荷载作用下的振动响应计算模型。通过Laplace-Hankel变换对模型的动力控制方程进行了推导求解，建立了路面和非饱和路基的动力刚度矩阵。并由层间连续性条件合成了公路结构的整体动力刚度矩阵，结合边界条件得出了FWD荷载作用下整个公路结构在变换域内的振动响应解。利用Laplace-Hankel逆变换对振动响应进行了空间-时间域内的数值求解，分析了FWD荷载频率和路基饱和度对振动响应的影响以及路基性能劣化与路表振动信号的关联性。研究结果表明：路表竖向动位移主要受FWD荷载低频成分的影响且随饱和度的增大而增大；相比较路表振动速度和路基表面竖向动应力，路表竖向动位移受路基性能劣化的影响更敏感，且在距荷载中心1.2 m位置处的路表竖向动位移变化率达到最大。研究结果可为路基性能劣化的反馈指标与位置选择提供科学依据。

关键词: FWD, 非饱和路基, 回弹模量, 位移响应, 路基劣化

Abstract: A vibration response calculation model of elastic layered pavement under the falling weight deflectometer (FWD) load considering the unsaturated characteristics of the subgrade is established to provide the theoretical basis for accurately identifying subgrade performance deterioration by using FWD. The dynamic governing equations of the model are derived and solved by Laplace-Hankel transformation, and the dynamic stiffness matrices of the pavement and unsaturated subgrade are established. The global dynamic stiffness matrix of the highway structure is synthesized from the interlayer continuity condition, and the vibration response solution of the entire highway structure in the transform domain under the FWD load is derived by combining the boundary conditions. The Laplace-Hankel inverse transform is utilized to obtain the numerical solution of the vibration response in the space-time domain. The effects of FWD load frequency and subgrade saturation on the vibration response and the correlation between subgrade performance deterioration and pavement surface vibration signals under FWD load are analyzed. It is found that the vertical dynamic displacement of the pavement surface is mainly influenced by the low frequency component of FWD load and increases with the increase of saturation. The vertical dynamic displacement of the pavement surface is more sensitive to subgrade performance deterioration than the vibration velocity of the pavement surface and the vertical dynamic stress of the subgrade surface. Moreover, the change rate of vertical dynamic displacement of the pavement surface at 1.2 m from the load center reaches the maximum. The results of the study can provide a scientific basis for selecting feedback indicators and locations of subgrade performance deterioration.

Key words: FWD, unsaturated subgrade, resilient modulus, displacement response, subgrade deterioration

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