车辆荷载作用下土的竖向应力估算

一等学员泰勒·奥尔姆斯特德和一等学员埃里卡·费舍尔

U、 美国陆军工程研发中心寒区研究与工程实验室

莱姆路72号

汉诺威，NH 03755-1290

准备：美国陆军工程兵团总部，华盛顿特区，20314-1000

下：工作单元GLJ53C P2 149875

摘要

本报告描述了一项初步研究，以支持正在进行的研究，以模拟车辆在未经准备的地面上行驶时产生的土壤应力。在这项研究中使用的土壤是沙、湿沙和粉土。在制备好的土壤层中，首先对土壤的强度、密度和塑性进行了表征。然后在2和5英寸深处嵌入压力传感器。然后用一辆地雷引爆拖车（MDT）对这些轮胎进行了几次穿越，并重新记录了单个车轮产生的压力。这个轮子的实际测量负载是4700磅。使用CRREL仪表车辆（CIV）进行了相同系列的测量，测量的车轮负载约为1500磅。结果与用Boussinesq方程的Froeh-lich修正计算的期望值进行了比较。对于MDT而言，相关试验对砂试验非常有利，对淤泥也可接受。然而，对于CIV来说，信件并不令人满意，大大低估了信用评级。联邦航空管理局的分层弹性分析（LEAF）程序也应用于MDT案例，得到了与MDT-Boussinesq分析相似的结果。提出了产科服务不符的可能原因。

轮胎胎面

命名法

施加P点荷载

R假定圆形荷载区域半径

r负载和关注点之间的径向距离

W总重量

z点荷载与关注点之间的垂直距离

土壤表面0σ平均应力

v弗罗赫利希浓度因子

前言

本报告由美国空军学院的泰勒·奥尔姆斯特德和埃里卡·费舍尔在新罕布什尔州汉诺威市寒冷地区研究与工程实验室（CRREL）的临时任务期间编写。这项工作的资金由位于新罕布什尔州汉诺威市CRREL的工程师研究与开发中心（ERDC）提供。

作者感谢Sally Shoop和Barry Coutermarsh的指导，感谢Mike Parker、Rosa Affleck、Charlie Smith和Jesse Stanley对实验的帮助。

本报告由CRREL研究与工程部主任Justin B.Berman博士、CRREL副主任Lance D.Hansen博士和CRREL主任Robert E.Davis博士共同监督编写。

在这项工作进行时，理查德詹金斯上校是命令和执行董事的ERDC。詹姆斯休斯顿博士是校长。

单位换算系数

乘得到

度（角）0.01745329弧度

英尺0.3048米

英寸0.0254米

英里/小时0.44704米/秒

磅（质量）0.45359237千克

平方英寸6.4516 E-04平方米

吨（2000磅，质量）907.1847千克

1简介

在过去的一个世纪里，人们探索了各种各样的土壤应力分布建模和传感方法。值得注意的是，Boussinesq在1885年建立了半无限质量点荷载下应力弹性分布的一般解，O.K.Froehlich在1934年引入了浓度因子，该因子改变了基于土壤强度的土壤Boussinesq应力分布（Gill 1967）。技术的进步使土壤科学家和土木工程师能够以几十年前不可能的方式评估土壤状况。例如，车辆传感器和压力传感垫有助于工程师在车辆和（为了美国空军的利益）飞机荷载作用下测试土壤强度，特别是在未铺筑路面的情况下。

美国陆军工程研究与发展中心位于新罕布什尔州汉诺威的寒冷地区研究与工程实验室（CRREL）的研究旨在确定土壤应力分布的状态，特别是当由地雷爆炸拖车（MDT）加载时。陆军关注的是，当MDT在雷区上空翻滚时，地雷将承受的压力。如果MDT没有引爆危险的现存地雷，那么士兵可能会付出代价。在欧洲进行了广泛的研究，以增加重型拖拉机轮胎装载期间土壤动力学的知识。这些研究是由提高农业领域作物产量的愿望推动的。由于不明确的原因，美国的研究和开发还没有大量存在。尽管这项研究并不涉及提高作物产量，但出于分析目的，MDT的大的、有牵引力的轮胎与欧洲研究的重载拖拉机轮胎惊人地相似。

还考虑了乘用车装载未铺面道路。CRREL仪表车辆（CIV）是一种地面车辆，具有足够的仪表和传感能力，能够根据乘用车行程模拟（1）土壤中的垂直应力和（2）土壤在牵引试验期间对车辆施加的水平阻力。后者是美国空军特别感兴趣的，美国空军希望了解其战区内空运能力（如C-130s和C-17s）在未铺砌和半准备好的机场起降时遇到的困难。CRREL测试在CIV上实施由传感器产品（包括传感器）和传感设备生产的压力垫，以帮助解决滚动和牵引测试期间的上述问题。用Boussinesq和O.K.Froehlich提出的应力方程对压力垫的计算结果进行了比较。此外，基于计算机的应力建模，如美国联邦航空局的分层弹性分析（LEAF）模型，也是比较结果的另一个来源。

本报告介绍了在多种土壤条件下执行的下列任务的结果：

当MDT运输时，评估给定深度的土壤应力；

评估CIV运输时给定深度处的土壤应力；

在CIV进行的牵引试验中评估土壤应力；

使用Boussinesq和Froehlich方程估计应力值；

使用LEAF程序预测应力值。

2试验程序

除非另有说明，否则所有现场试验均在CRREL现场霜冻效应研究设施（FERF）西面的人工建造试验段进行。试验段由三部分组成，每个部分都有自己的土壤类型。第一部分是砂（USCS命名为SM粉砂）。第二部分为粉土（USCS名称ML低塑性粉土）。最后一部分是粘土。没有在粘土中进行测试。试验段由东向西为四度边坡，便于排水。试验部分和试验程序部分的图像见附录C。

现场砂试验

第一次试验于2008年5月27日在沙滩上进行。其中一个压力垫（来自Sensor Products，Inc.）被埋在2英寸深的地方。深度。第二个压力垫埋深为5英寸。深度。垫子最近边缘之间的距离为6英尺，以防止一个垫子在加载另一个垫子上方的土壤时受到影响。使用ASTM 4号筛对一些原位土壤进行筛分，并将其直接放置在氯丁橡胶垫的正上方和正下方，以防止车辆经过时被岩石刺穿。已注意设法将垫层周围和上方的扰动土壤恢复到原始压实状态。在土上行走和用手捣固是用来压实土壤的。这些垫子的位置是用油漆在土顶上标出的。这些垫子通过一组电线与笔记本电脑相连。出于校准原因，焊盘A必须连接到50英尺的导线上，而焊盘B必须连接到100英尺的导线上，原因相同。field laptop运行名为Tactilus®的软件，该软件可记录加载时的压力。垫块埋置后，土壤性质得到改善。砂的弹性模量是用装载机测得的。用动态圆锥贯入仪（DCP）测定了加州承载比（CBR）。用Troxler核子计测定了土壤的干、湿密度和含水量。所有这些试验的结果见附录A。最后，滚动试验准备开始。测试的目标是让MDT第四轴的右轮胎在衬垫正上方的区域滚动。在测试路段上，MDT以每小时5英里的速度通过了四次可接受的测试，MDT由重型扩展机动战术卡车（HEMMT）牵引。传球记录在Tactilus®软件上。这些通行证的屏幕截图见附录B。

湿砂试验1

2008年5月28日，继续进行试验，以复制27日完成的程序。然而，希望获得含水量较高的数据。从前一天起，试验区就一个人留下了。因为前一天晚上并没有像预期的那样下雨，所以在恢复测试之前，用水管给测试部分浇水。重复实验后，将垫从现有位置挖出。移除后，注意到由于衬垫的不渗透性，衬垫下面的沙子的含水量明显不同。此外，在试验过程中，还注意到试验段发生了相当大的车辙，试验段没有达到应有的水平。由于这些因素，决定在移除衬垫后的第二天重复“湿”砂试验，将试验段分级为更光滑，并且移除后，注意到由于衬垫的不渗透性，衬垫下面的沙子的含水量明显不同。此外，在试验过程中，还注意到试验段发生了相当大的车辙，试验段没有达到应有的水平。由于这些因素，决定在移除垫块后的第二天重复进行“湿”砂试验，将试验段分级为更光滑，并且可以在砂上施加均匀量的水。为了模拟下午晚些时候的一场暴雨，试验路段被大雨淋湿了。

湿砂试验2

2008年5月29日，使用推土机和耙子对试验段进行了整平，以清除所有车辙，这导致试验段在前一天出现反弹和不均匀。在试验段的重新研磨过程中，注意到由于砂土的原位空隙体积和渗透性，砂土排水非常好。因此，在试验前几个小时，用尽可能均匀的软管将沙子再次弄湿，以模拟暴雨。重复了测试程序，在2英寸和5英寸处再次埋下衬垫。深度。附录A给出了土壤特性试验的结果。使用MDT进行四次滚动试验后，CIV接管了试验段。首先，CIV进行了四次滚动试验，随后进行了三次牵引试验。应注意的是，试验路段的压实度超过了CIV试验用HEMMT和MDT的原始压实度。牵引力测试是通过让轮胎在压力垫上方旋转来进行的。CIV的后轮与传动系分离。所有发动机扭矩都施加在前两个车轮上。已考虑确保衬垫（尤其是仅埋在2英寸处的衬垫）。（深度）在牵引试验期间没有从地面上撕裂。在牵引试验过程中，CIV会使大量土壤移位，不需要磨损或破损的衬垫。

淤泥试验

在两种不同含水量下对砂进行试验后，试验的重点转移到试验段的淤泥部分。这些垫子再次被埋在2英寸和5英寸的地方。深度。由于淤泥的粘性较高，在试验前一晚，由于即将下雨，使用ASTM 4号筛对淤泥进行筛分。雨后，淤泥将极难筛出，因为其粘聚力特性不容易通过筛孔。因此，垫子下面和上面的淤泥含水量较低，以便为淤泥提供更大的物体，以防止氯丁橡胶刺穿。试验设置相同，并用MDT完成了四次滚动试验。CIV完成了三次滚动试验和一次牵引试验。牵引试验因A垫（埋深2英寸）而缩短。深度）在第一次牵引试验后暴露。为了保证设备的完整性，当天在淤泥中放弃了进一步的牵引试验。

3压力垫问题/硬表面试验

在这些测试之后，对压力垫进行测试，以确定计算中使用的基线值。垫是在MDT第四轴的右轮胎之前串联起来的。用于该试验的区域是清洁的平坦沥青，其重量分布大致均匀。

当MDT轮胎在每个衬垫上滚动时，Tactilus®软件显示轮胎施加在衬垫上的总力。PAD显示约4200磅，围绕预期值。如图1所示，PAD B显示约2000磅。

图1。平面上MDT的力与时间。

图1。平面上MDT的力与时间。

在确定差异原因的过程中，对不同配置的客车进行了重复试验。箱A连接到垫B（配置为100英尺电缆），箱B连接到垫A（配置为50英尺电缆）。垫子铺在干净平坦的沥青上。一辆已知重量的客车连续在每辆车上行驶，停在每个刹车片的中心以获取静态数据。然后，将盒子相对于衬垫进行切换，因此盒子A连接到50英尺衬垫A，盒子B连接到100英尺衬垫B。对每个配置进行两次测试，共进行四次测试。

这些数据与工厂规定的乘用车重量进行了比较。100英尺的衬垫B提供的数值始终较低，力通常为实际值的一半。Pad B被认为是可疑的，其结果未用于分析。这些盒子在输出精度上似乎有一点不同，盒子a更可靠。

4寻找MDT垂直荷载

根据制造商数据，第二辆地雷引爆拖车的重量为8公吨（17637磅）（美国陆军2007年）。如果拖车是