基于路基顶面温度的多年冻土区沥青路面结构

多年冻土地区路基路面稳定性及耐久性与路基底部多年冻土的存在状态密切相关。采用有限元方法,建立多年冻土地区路基与沥青路面结构温度场模型,分析了结构层厚度、结构组合变化对路基顶面温度的影响;利用灰关联方法,以温度稳定性最差的路面结构为参考,分析了不同路面结构间的关联程度。结果表明：增加路面结构层厚度或在路面结构中设置沥青碎石层、级配碎石层,在高温季节可以有效降低路基顶面温度;级配碎石层厚度与路面结构的温度优劣性相关,小于16cm时ACGR、AGR、ACR这3种沥青路面结构较好,大于16cm时ACGR、ACG、AGR这3种结构较好。研究结果可为多年冻土地区半刚性基层开裂处治及沥青路面结构选择提供参考。     

级配碎石基层非线性对沥青路面结构受力的影响

目的基于级配碎石基层材料的非线性特征,研究级配碎石上基层沥青路面结构力学响应规律,进而为该种路面结构设计提供理论依据.方法通过ABAQUS有限元软件的二次开发,运用Fortran语言对级配碎石非线性本构模型进行编译,建立级配碎石上基层沥青路面结构的有限元模型.结果随级配碎石层和面层厚度的增加,级配碎石非线性沥青路面结构各结构层所受层底拉应力较级配碎石线弹性沥青路面结构都有所增加,路表弯沉变化不大.推荐在中等级交通下的面层厚度为7~15 cm,级配碎石层厚度为10~15 cm.结论应用该种路面结构时,考虑到级配碎石层非线性对该路面结构受力产生的不利影响,必须确定合理的级配碎石层和面层厚度.     

设置过渡层的半刚性基层沥青路面的合理结构

针对半刚性基层在沥青路面使用过程引起的裂缝破坏,使其在高等级公路中的适用性受到质疑的问题,通过设置级配碎石和沥青碎石过渡层使半刚性基层的层位实现向下放置,实现了改善半刚性基层受力和减少裂缝的目的。采用ANSYS计算设置不同厚度的级配碎石和沥青碎石过渡层,分析路面结构在荷载作用下基层厚度变化时轮隙中心的受力情况,以考察适宜的半刚性基层层位和厚度。力学分析结果表明：采用厚度为12～15cm的级配碎石层和厚度为25～35cm的半刚性基层、或设置厚度为10～15cm的沥青碎石层和厚度为20～30cm的半刚性基层这两种结构,完全可以满足控制路面结构开裂的指标要求;能减少路面结构出现裂缝,延长沥青路面的结构寿命。     

隧道半刚性基层沥青路面沥青层疲劳开裂分析

为了研究隧道半刚性基层沥青路面沥青层疲劳开裂的影响因素,建立隧道半刚性基层沥青路面有限元模型,对隧道半刚性基层沥青路面沥青层疲劳开裂进行研究。研究结果表明:对于隧道半刚性基层沥青路面,由于沥青层内最大拉应变显著大于沥青层底拉应变,导致沥青层内的疲劳寿命远小于沥青层底的疲劳寿命;沥青层层底疲劳开裂寿命影响因素敏感性排序为:基层模量面层模量≈面层厚度基层厚度;隧道半刚性基层沥青路面基层模量越大、基层厚度越厚、沥青面层模量越小,对沥青面层疲劳开裂寿命越有利。     

基于非均布荷载的柔性基层沥青路面纵向开裂分析

为研究柔性基层沥青路面纵向裂缝的产生机理和发展规律,实测了子午线货车轮胎在不同轴重和胎压下的接地印迹与应力。借助实测的子午线轮胎接地面积和简化的非均布轮载应力,建立了轮胎-路面非均布条形荷载力学计算模型,对不同沥青层厚度的柔性基层沥青路面结构进行了三维有限元分析,计算超载和设计轴载工况下2种路面结构最大拉应力和最大剪应力值及其发生位置,并依托级配碎石基层沥青路面足尺试验路进行了加速加载破坏试验,得到了中低温环境下沥青层开裂类型、发生位置和发展变化规律,提出以轮胎胎纹间隙处的最大剪应力作为沥青路面自顶向下开裂的力学指标;基于力学分析指标和足尺试验路疲劳破坏作用次数,构建沥青路面自顶向下疲劳开裂预估模型。研究结果表明:柔性基层沥青路面最大拉应力远离轮迹带,其应力值远小于沥青混合料的容许拉应力,对沥青层自顶向下扩展的纵向开裂无影响;最大剪应力发生在路表或距路表一定深度范围内,轴载越大,最大剪应力越接近路表,水平力越大,最大剪应力越靠近轮底中心;当轮载水平力系数由0增加至0.5时,最大剪应力由轮底边缘移至子午线轮胎第2条凸纹与第3条凸纹间隙处。足尺试验路重轴载加速加载破坏试验时,柔性基层沥青路面最先发生了位于轮底中心、源自路表自顶向下扩展的间断纵向裂缝,随重复轮载作用纵向裂缝逐渐连通,裂缝的扩展方向与轮胎胎纹走向一致,印证了纵向开裂源于轮底轮胎胎纹间隙处的理论分析结果,明晰了柔性基层沥青路面自顶向下开裂的关键破坏源。     

高速公路沥青面层层间结合状态调查及力学分析

对通车8～9年后的高速公路沥青面层进行取芯检测,了解其质量状态与层间结合状况。沥青面层芯样层间断开的比例为25%～50%,大部分为上、中面层脱开。采用古德曼假定,建立五层体系平面应变模型,采用奇异单元分析裂缝尖端区域的应力场,分析基层带裂缝沥青面层结构的受力特性。对于基层开裂的沥青面层,随着层间结合力的减小,路表拉应力逐渐增大;上、中面层层间结合不良,可导致沥青层底剪应力增大、拉应变增大,这是面层容易开裂的主要原因;沥青层路表拉应变增加2～2.7倍,从而在低温时导致表面裂缝的产生。在设计半刚性基层沥青路面时应考虑层底剪应力及拉应变指标,对于沥青上面层应提高其抗裂性能。     

抗车辙柔性基层耐久性沥青路面车辙疲劳影响规律

为了解决柔性基层的车辙问题,从车辙破坏机理出发,采用英国壳牌设计软件及剪应变、弯拉应变、路基顶面压应变3个代表性指标,通过大量分析计算,得到了结构层厚度、模量等因素对抗车辙柔性基层耐久性沥青路面的影响规律。研究结果表明:抗车辙柔性基层耐久性路面面层总厚度应不小于18cm,半刚性底基层厚度应不小于15cm,但半刚性底基层厚度的增加会引起中、下面层层内剪应变的增加,对抗车辙不利,不宜过大,面层和基层总厚度宜大于40cm;中面层采用高模量沥青混凝土,能明显增强柔性基层耐久性路面的抗车辙和疲劳性能;设计合理的抗车辙柔性基层耐久性沥青路面结构,柔性基层及其下层发生疲劳破坏的可能性不大。     

重载作用下沥青路面结构动态响应敏感性分析

采用三维有限元动力分析模型,分析了重载移动作用下轴载重量、轴载速度、路面结构参数等因素变化,对沥青路面动态响应的影响.结果表明:路面动态响应随着轴重的增加呈线性显著增加;轴载速度对路面动态响应有一定的影响,路面结构动态响应随轴载速度的增加呈现先增加再降低的趋势,重载车辆以常见速度运行时,对路面结构产生的疲劳破坏影响显著大于静载产生的疲劳破坏;路面结构参数中,面层厚度对路表剪应力、路表竖向压应力影响特别显著,路基模量对路表弯沉、底基层拉应力、路基顶面压应变影响特别显著.     

沥青路面结构永久变形环道试验研究

为了分析厚沥青层的柔性基层和半刚性基层沥青路面在轮载作用下各结构层永久变形发生发展的规律,通过在50～60 ℃高温下进行的室内大型足尺环道路面加速加载试验,测试了不同轮载作用次数下沥青路面各结构层的永久变形.环道试验测定结果表明:对于本试验三种沥青层厚度超过20 cm的沥青路面结构,土基对车辙的影响很小,级配碎石柔性基层和水泥稳定碎石半刚性基层对车辙的影响也很小,路面永久变形主要发生在20 cm深度范围的沥青层内.     

高等级公路沥青路面剪应力分析与应用

基于线弹性层状体系理论,采用路面结构有限元法,探讨高等级公路沥青路面剪应力的分布规律、影响因素及其评价方法。通过选取不同路面结构参数,包括各结构层厚度、模量和泊松比等,在不同的点位,利用BISAR程序进行力学计算和分析,提出了沥青路面抗剪强度的确定和评价方法。研究结果表明:在不考虑各结构层材料性能和厚度时,最大剪应力均分布在距路表3cm深度范围内;影响剪应力的最主要因素是沥青层模量、泊松比和基层模量;对于普通3层沥青层面层结构,上面层和中面层应进行剪应力验算,下面层可根据实际情况确定是否进行验算;验算时,需找到准确的计算点位才能计算出各层内最大剪应力。     

基于环境温度变化的混合式基层沥青路面结构疲劳损伤分析

为了分析环境温度变化时混合式基层沥青路面结构的疲劳损伤特性,拟定3种混合式基层沥青路面结构,充分考虑广西河池地区各月温度变化以及土基回弹模量的季节性变化,运用ABAQUS软件对2种层间结合状态的4种路面结构方案的温度场、应变响应和疲劳损伤进行计算分析,通过试验路面温度传感器、应变片的监测结果和疲劳损伤模拟模型计算沥青层的疲劳损伤。研究结果表明:在不同月份温度下,沥青路面应变响应差异大,随着气温升高,层底弯拉应变增大;各季节疲劳损伤存在明显差异,高温季节产生的疲劳损伤所占比例较大;以水稳碎石为底基层,级配碎石为基层及大粒径沥青碎石混合料作下面层的混合式基层沥青路面结构方案B,温度敏感性最小,疲劳损伤最小。研究结果可为选择良好的混合式基层路面结构提供思路。     

混合式基层沥青路面动态响应测试结果特征分析

依托遂广高速公路沥青路面动态响应试验段,进行了系统采集数据的有效性分析,并基于沥青混合料、级配碎石和土体经典力学理论,评价了单后轴和双后轴货车作用下路面结构内部水平应变和竖向力学指标时程曲线的力学基本特征.研究结果表明:移动荷载作用下,沥青层层底纵向应变先后出现压—拉—压循环交变应变,沥青层层底横向应变表现为压—拉两个过程,沥青层层底纵向和横向应变应分别采用应变幅值和拉应变峰值作为路面在荷载作用下实际应变变化值,且沥青层层底横向应变测值受轮胎作用位置影响较大;同时,荷载驶离传感器后,沥青层层底水平应变响应存在明显残余应变,而土基顶面竖向压应力并不存在残余应力;双后轴货车后轴对应的路基顶面竖向压应力和沥青层层底横向应变叠加效应显著高于其他指标.现场试验证实,路面结构动态计算分析中,路基可简化为弹性体,沥青混合料材料应考虑其黏弹性特征,级配碎石过渡层应考虑其永久变形特性.     

级配碎石基层沥青路面FWD反算模量换算系数

为了获取真实反映沥青路面结构力学特性和材料性状的结构模量参数,铺筑了4种结构级配碎石基层沥青路面足尺试验路,对其进行加速加载疲劳破坏试验和路面弯沉检测。基于FWD弯沉测试方案,应用分层检测分析方法逐层检测了路面结构层的弯沉,并根据足尺路面加载破坏的损坏程度,进行了路表FWD弯沉测试和弯沉迭代反演,分析了FWD反算模量受荷载水平、位置和路面温度的影响规律,建立了FWD反算模量与实验室动态模量的关系,提出了沥青混凝土、级配碎石和路基土实验室动态模量与FWD反算模量的换算系数K。研究结果表明：沥青混凝土模量受温度和轮载作用的影响最大,路面结构完好的沥青层反算模量换算系数K=0.7~1.0;路面出现Top-down开裂后,K=1.3~1.5;沥青层层底出现疲劳破坏时,K>1.5;级配碎石层反算模量换算系数为1.32~1.49;土基反算模量换算系数与其所受的应力水平及土质类型相关,随应力水平的降低,土基反算模量换算系数减小。     

基于ABAQUS软件薄型沥青路面力学响应分析

为了掌握薄型沥青混凝土道路在车载作用下受力特点,道路结构层参数变化对沥青混凝土路面的力学响应,采用有限元软件ABAQUS建立薄型沥青混凝土路面的结构模型,通过有限元软件分析各结构参数的变化对沥青层底拉应力、路表弯沉、面层剪应力敏感性,并且对各个因素的敏感性进行评价。结果表明,面层模量和面层厚度的增加可减小路表弯沉,从面层模量和面层厚度的改变对路面指标的改变幅度来看,基层模量改变对层底最大拉应力的影响显著,面层模量的改变对面层位置不同处最大剪应力峰值的影响也比较明显。因此在薄型沥青混凝土路面技术应用中,应该加强控制基层材料性能指标。     

沥青稳定基层沥青混凝土路面抗剪性能的理论分析

沥青稳定基层沥青混凝土路面是否会出现严重车辙,为人们所担忧。理论计算分析表明,在静力荷载作用下沥青层中最大剪应力发生在深度8cm处,且随着基层厚度的增加剪应力降低,故采用沥青稳定柔性基层不产生结构性车辙;当基层模量增大时,沥青层中下层剪应力反而增大;沥青混凝土面层采用高模量材料能有效降低剪切应变,而当采用复合基层时也有利于面层剪应力的减小。     

低水泥剂量稳定级配碎石基层典型结构分析

目的找寻适应不同交通等级的合理的低水泥剂量基层沥青路面结构.方法拟定低水泥剂量级配碎石基层沥青路面结构,利用有限元软件计算以低水泥剂量稳定级配碎石取代半刚性基层后对弯沉、沥青层底拉应力等设计指标的影响,并结合交通荷载分析各结构层厚度组合合理性.结果轻交通等级下,推荐使用5 cm普通沥青混凝土面层+22 cm水泥质量分数为3%的低水泥剂量稳定级配碎石单基层;中交通等级下,推荐采用上基层厚度大于15 cm的水泥质量分数为2.5%的低水泥剂量稳定级配碎石,半刚性下基层厚度至少为20 cm结构组合形式;重交通等级下,推荐采用15 cm水泥质量分数为2.5%的低水泥剂量稳定级配碎石上基层和15 cm+20 cm半刚性双基层结构组合.结论在重、中交通荷载作用下,合理的低水泥剂量级配碎石基层能够在防治反射裂缝同时,较好地满足交通荷载需求.     

周期荷载作用下沥青路面层间性能及永久变形分析

为提高半刚性基层沥青路面层问抗剪强度以及抵抗永久变形的能力,充分发挥其使用功能,基于黏弹性力学理论,应用有限元方法研究周期荷载作用下沥青路面层间剪应力分布情况以及路面永久变形发展规律.结果表明,沥青面层的黏弹性有利于面层间剪应力的松弛,但会增大基面层问剪应力;动载的卸载回复作用导致层问剪应力峰值随时间变化率小于静载下的相应值;轮缘外侧的隆起变形较轮隙处的小,下面层的永久变形较上面层的大;轮隙处和轮心处均在上面层以下某处出现最大蠕变应变值,但轮隙处出现最大蠕变应变值的深度较轮心处的大.因此,路面设计必须对半刚性基层和沥青面层的层间黏结性能,以及下(中)面层抵抗永久变形的能力给与足够的考虑.     

考虑材料正交各向异性时的沥青路面结构力学性能

基于正交各向异性理论,分别定义了弹性模量、泊松比和剪切模量这3种参数的各向异性度。对典型的沥青路面结构进行有限元计算,分析这3种各向异性度单独变化以及同步变化时路面结构力学性能的变化规律。计算分析结果表明:沥青面层最大剪应力基本上只受面层平面2个方向之间各向异性的影响,基层层底拉应力受基层平面2个方向之间各向异性的影响最大;路表弯沉受路基平面2个方向之间各向异性的影响最大,剪切模量各向异性对路表弯沉、泊松比各向异性对面层最大剪应力都基本没有影响,弹性模量各向异性对路面各力学指标有较大影响;路基路面材料平面2个方向之间的各向异性不容忽视。     

基于正交设计的乳化沥青冷再生下面层力学特性分析

目的研究乳化沥青冷再生材料作为沥青路面下面层的力学特性,推荐合理结构参数.方法采用正交试验设计方法,运用ABAQUS有限元分析软件对不同路面结构进行模拟分析.结果当乳化沥青冷再生材料厚度大于10 cm,模量大于800M Pa;水泥稳定碎石厚度大于40 cm,模量大于1 600 M Pa;土基模量大于70 M Pa,沥青路面路表弯沉、AC-10面层最大剪应力和层底弯拉应力、乳化沥青冷再生下面层最大剪应力和层底弯拉应力等效果较好.结论在路面结构层参数合理的情况下,乳化沥青冷再生材料可以作为沥青路面下面层使用.     

多年冻土地区沥青路面结构响应分析

采用ABAQUS软件进行了多年冻土地区不同沥青路面结构响应分析.分析结果表明,路基融沉深度决定了路面位移的大小,路面结构形式对路面位移影响不大,而路面基层底部拉应力主要受路面结构形式影响.随着融沉深度增加,路面位移显著增加.级配碎石基层路面层底拉应力最小,沥青稳定基层路面层底拉应力与其相当,而半刚性基层路面层底拉应力最大.考虑到级配碎石基层的强透水性、低抵抗重载交通能力等缺点,提出沥青稳定基层更适合于多年冻土地区.