考虑层间接触状态的沥青路面疲劳性能预估

受多场耦合影响的沥青路面层间性能逐渐劣化,致使路面结构应力重分布,进而加剧沥青路面的疲劳损伤.为了研究层间接触状态对沥青路面疲劳性能的影响,从小尺度车辙动态响应试验入手,进行沥青层层底拉应变的数据采集,并利用数值模拟进行验证.在此基础上,甄选比对国内外沥青混合料疲劳破坏模型,以影响因子与疲劳预估为核心,通过构建典型半刚性基层沥青路面三维有限元模型与理论分析综合确定了沥青层模量、基层模量、层间接触状态与荷载等核心预估变量,采用疲劳寿命比法进一步确定模型中各项参数,构建了考虑层间接触状态的实际在役沥青路面疲劳性能预估模型.研究成果对于改进现有沥青路面设计方法及提升路面设计与养护具有一定参考意义.     

水泥混凝土路面加铺沥青层结构应力分析

为了指导旧路加铺工程合理设计,对加铺结构在交通荷载作用下的受力状态进行了分析。基于路面力学弹性层状体系理论,建立了旧路加铺路面的轴对称有限元模型。主要考虑交通荷载作用,分析了沥青加铺层层底拉应力、剪应力和旧水泥路面层底的拉应力等指标。考虑加铺层和应力吸收层模量的影响对路面结构的力学响应进行了分析计算。为了快速计算材料力学性能对路面结构受力的影响,基于数值计算结果给出一个路表弯沉和沥青加铺层底拉应力的简易计算公式。结果表明:在车辆轴载作用下,增设应力吸收层会减小路表弯沉、沥青层底拉应力、新旧层间的剪应力和水泥层底拉应力各项指标,对于改善路面结构受力状态有积极影响;随着沥青面层模量的增加,路表弯沉、沥青层底剪应力和水泥层底拉应力都趋于减小,但是沥青层底拉应力会增大。由此建议在旧水泥路面加铺沥青面层设计时,应适当选用高模量的沥青混凝土材料,可以缓解路面新旧层之间的剪切脱层破坏,进而延长旧路改造路面的服役寿命。     

考虑既有路面车辙状况的厂拌热再生沥青路面力学响应分析

为研究既有沥青路面车辙状况下厂拌热再生路面的动态力学响应，本文通过现场获取不同车辙深度的路面芯样，并室内制备不同RAP掺量的厂拌热再生沥青混合料，通过动态模量试验评价材料的力学性能；利用3D-Move Analysis有限元软件分析不同结构组合的厂拌热再生沥青路面动力响应。结果表明：动态荷载作用下，再生路面各沥青面层均出现了拉压交互和应力集中的现象，再生路面结构随着车辙发展深度的加深出现拉裂破坏等病害的风险增加，但一定的车辙发展深度有助于提高沥青路面的承载能力。RAP掺量和既有路面车辙发展深度的改变将会使路面结构的模量组合发生变化，再生路面结构力学响应受这两种因素影响较大。为减少再生路面结构的永久变形并提高其耐久性，应充分考虑再生层和既有路面中面层的模量组合，从而改善再生路面结构受力情况。     

基于横观各向同性的沥青路面加铺层力学分析

考虑到沥青混凝土呈现一定的横观各向同性特性,采用有限元数值分析方法,建立沥青加铺层路面三维有限元模型;将沥青加铺层及旧沥青面层视为横观各向同性体,并考虑了加铺层温度场特性和沥青混合料模量随温度变化的特性以及层间接触状态,研究了不同温度条件下沥青加铺层路面的力学行为,分析了沥青混合料的横观各向同性对加铺层路面的变形和应变等的影响.研究结果表明,沥青混凝土的横观各向同性及模量梯度特性和层间结合条件对加铺层受力状况都有较大影响.     

非均布轮载下沥青路面计算参数变化应力分析

在非均布轮载力作用下，当路面结构的力学计算参数变化时，其力学响应也有很大的不同，为此利用三维有限元的分析工具，分析了沥青路面半刚性基层回弹模量，沥青混合料回弹模量和泊松比变化时力学响应的变化规律，分析结果表明，随着半刚性基层模量的提高，面层所承受的最大剪应力增大，沥青面层混合料的模量降低时，其所承受的最大剪应力也相应增加。     

低速与变速动载作用下沥青路面动力响应

为分析低速、变速车辆动载对沥青路面结构的影响,利用室内动态模量实验结合时温等效原理确定几种路面沥青材料的动态模量主曲线;通过调查和计算得到车辆在不同变速条件下的荷载作用方式;建立车辆连续变速条件下路面材料动态模量的变化规律;利用三维有限元模型分析不同车速和速度变化对沥青路面力学响应的影响,比较采用动态模量和抗压回弹模量的计算结果。实验结果表明:动态模量能较好地反映车辆荷载作用下的路面材料力学性能,较低车速更易导致路面结构的疲劳损伤,而车辆加速度的增加使结构面层内剪应力峰值增长较大,易导致车辙、拥包等剪切破坏。     

考虑温湿度作用的粒料基层沥青路面结构非线性力学行为

为了研究温湿度作用下道路结构非线性力学行为，基于长期性能观测构建粒料基层沥青路面的温湿度组合，建立综合考虑应力和湿度影响的粒料非线性回弹模量模型，考察2个沥青层厚度和2个荷载水平，利用有限元开展沥青路面粒料层和土基非线性结构力学行为分析，基于Miner’s损伤法则，计算基于沥青层底拉应变和土基顶部压应变的疲劳寿命。研究结果表明：采用考虑湿度调整的Uzan三参数模型能够较好地表征在役沥青路面粒料层和土基的非线性力学行为；非线性路面结构分析与现有线弹性路面结构计算相比，沥青层底拉应变和土基顶部压应变大小及其对温湿度变化的敏感程度均存在显著差异，结构寿命也相差较大，温湿度对道路结构力学行为的影响不容忽视；增加荷载和减小沥青面层厚度均会增加沥青路面结构响应、降低使用寿命，但是二者的影响机理不同；粒料应力硬化特性能在一定程度上缓解高应力水平下的沥青层底受拉。     

沥青路面结构的最大剪应力

为了减缓重载、高胎压和高速度等重交通条件所引起轮载下强大的剪应力,解决渠化交通下沥青混凝土路面的车辙问题,分析了路面实际剪应力力学,采用有限元方法建立模型,对沥青混合料抗剪切强度进行计算,对不同温度、不同层间接触情况和不同荷载情况下半刚性基层沥青混凝土面层内最大剪应力进行了分析,得出了不同温度、不同荷载条件下最大剪切应力的大小和位置。结果表明:当路面结构中层间接触条件为完全连续状态、较小水平荷载和垂直荷载、较低的温度条件下,沥青路面结构不易遭受剪切破坏。     

层间接触条件对沥青路面力学响应的影响

中国现行沥青路面设计以路表弯沉、沥青层底及半刚性层底拉应力为设计指标,层间条件假定完全连续。实践中路面分层修筑,层间不完全连续,对路面结构受力状态影响甚大。以京津塘高速公路改扩建工程为依托,假定层间完全连续与层间不完全连续2种状态,以壳牌计算软件Bisar 3.0和数值软件Matlab 7.0分析了3类常见沥青路面在2种层间接触条件下的三维力学响应分布及最不利受荷点。结果表明：层间结合不连续导致结构内应力、应变骤增;各类路面在不同层间状态下出现最大应力及应变的位置不同;2种层间条件下复合式路面的响应均居于柔性与半刚性路面之间;路面结构设计时,应在现行规范的基础上,对层间不完全连续状态下指定点位处的力学指标进行验算,为路面在运营期内的可靠度分析提供依据。     

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。     

疲劳试验中沥青混合料的弯拉劲度模量

为了确定弯拉劲度模量是否适用表征疲劳过程中试件的力学状态变化,通过控制应变的小梁疲劳试验,研究了沥青混合料疲劳过程中弯拉劲度模量随应变水平的变化情况,应变水平的变化模拟了实际路面厚度变化变化对层底拉应变的影响。结果表明:当应变水平较高时,沥青混合料弯拉劲度模量随荷载作用次数的增加而急剧减小;随着应变水平的降低,衰减趋势逐渐变缓;通过研究发现,弯拉劲度模量可以用于表征应变疲劳过程中沥青混合料试件力学状态变化,并由此推算混合料的疲劳寿命。     

动态荷载作用下不同下封层沥青路面力学响应分析

目的分析在两种不同行驶位置的移动荷载作用下,不同下封层沥青路面力学性能的差异.方法笔者对4种不同下封层的沥青路面进行室内模拟试验,获得不同下封层下基面层间的连接状况参数.在此基础上建立移动荷载作用下不同基面层连接状况的沥青路面结构有限元分析模型.结果基面层连接状态越好,移动荷载作用下所产生的应力越小;荷载位于路面中间所产生的竖向剪应力和基层层底拉应力比荷载位于路面两侧时大;在不同基面层间接触状态下,荷载位于路面两侧的竖向剪应力的差异性大于荷载位于路面中间,荷载位于路面两侧的基层层底拉应力的差异性稍小于荷载位于路面中间.结论与在路中央行车相比,在路两侧行车对路面的不利影响更小.下封层的连接效果越强,荷载对路面结构的不良影响越小,故推荐使用橡胶沥青封层.     

基层模量对路面性能的影响分析

利用弹性层状理论计算程序Bisar分析了基层模量对沥青层内部竖向压应力、剪应力、面层底部拉应力和表面湾沉的影响,进而计算了基层模量对路面稳定性,疲劳寿命和永久变形的影响,分析表明,基层和模量必须保持在一个合理的范围内,才能从整体上获得好的路用性能,较高的基层模量会增加面层竖向压应力,易于引起路面车辙,但过低的基层模量会增大路面表面的剪应力并沥青底部受拉,进而降低沥青面在行车荷载作用下的疲劳寿命,由此提得出了沥青路面合适的基层模量范围在0．8－1．2GPa之间。     

基于改扩建工程的路面温度场对沥青混合料动态模量影响规律

为了研究沥青路面温度场与材料模量的关系,通过实测高速公路改扩建工程旧路与拓宽段路面温度场,分析了沥青路面各结构层的温度变化规律,进而研究了路面结构温度场对沥青混合料动态模量的影响规律。结果表明,沥青路面温度的全年分布呈现双驼峰曲线,分别在5～10°C和25～30°C区间存在两个峰值;路面材料动态模量与温度累积天数之间,随着温度的增加,动态模量呈减小趋势;上、中面层材料存在部分40°C以上的累积天数,此时的材料模量较低。而其他更深结构层次的材料则基本不受40°C以上的影响;随着路面材料模量的变化,早上路面各结构层内温度全天最低,计算出的沥青层底拉应变也最小;下午温度全天最高,计算得到的拉应变也越大。     

半刚性基层沥青路面与全厚式沥青路面疲劳特性比较

沥青混合料疲劳试验的荷载控制模式有应力控制和应变控制两种。文章经理论计算分析了半刚性基层沥青路面和全厚式沥青路面的沥青层在交通荷载作用下疲劳时的应力和应变状态。从而研究相应于两类沥青路面沥青混合料疲劳试验合适的荷载控制模式。计算表明 ,随着面层和基层材料劲度的逐渐下降 ,两类沥青路面的沥青层层底的弯拉应力和弯拉应变的变化规律有所不同 ;全厚式沥青路面沥青层层底的弯拉应力和弯拉应变随混合料劲度的变化规律 ,更加类似于应变控制模式的疲劳试验时小梁试件的应力、应变的变化规律。因此 ,全厚式沥青路面沥青混合料的疲劳试验更适宜采用应变控制的荷载模式。     

基于分形理论的沥青加铺层不同层间接触状态力学响应分析

为了研究不同层间接触状态下旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面的力学响应。运用基于分型理论的W-M接触模型计算沥青混凝土层与水泥混凝土层间的弹塑临界接触面积,利用弹性剪切柔量模拟层间接触状态,并利用Bisar软件计算不同层间接触状态下的路表弯沉及沥青层底弯拉应力变化。结果表明:利用分形接触模型能够确定出层间弹塑性临界接触面积;不同接触状态下路表弯沉及沥青层底弯拉应力变化较大;连续接触状态有利于沥青层底受力及减小路表弯沉。     

典型沥青路面动态应变响应特性及疲劳寿命分析

针对半刚性路面(S1)、倒装式路面(S2)、组合式路面(S3)开展三维有限元计算,分析其面层底动态应变的空间分布特性及车辆荷载参数对沥青路面动态应变响应的影响规律;同时,基于应变响应及沥青层疲劳预估方程,对比不同类型路面的疲劳寿命.结果表明:行车荷载在沥青路面面层层底平面所引起的拉应变主要集中在轮印作用区域,其由应变值所表征的最不利位置出现在轮印面积中心;车辆动载条件下的应变响应量小于静态荷载模式,其中,S2的动、静力差异性表现尤为显著;随着轴质量的增加,面层底动态应变逐渐增大;而随着车速的提高,应变响应量逐渐减小;随着轴质量的增加,沥青层疲劳寿命急剧减小;在行车安全的前提下,合理提高车辆行车速度有利于提高沥青路面使用寿命,3种路面的面层疲劳寿命排序为S1>S3>S2.     

沥青路面力学响应影响因素敏感性分析

以修正的Burgers模型作为沥青混合料本构模型,通过有限元软件分析了荷载大小、加载方式以及面层材料对路表竖向位移、底基层底面水平应力、面层内剪应力以及路表轮迹处竖向应力的影响.结果表明:荷载大小为影响沥青路面应力场和变形场的最主要因素,胎压1.0MPa较0.7MPa的作用效果增大40%,随着荷载的继续增大作用效果将继续增大;沥青路面的主要承重部分为基层以下的结构体,面层材料的类型和力学参数对沥青混凝土路面力学响应影响相对较小.该研究可以为沥青路面的优化设计与力学分析提供一定的理论指导.     

新疆荒漠区沥青面层疲劳寿命分析

针对新疆荒漠区典型沥青路面结构,采用现场原型车辆加速加载试验手段,分析新疆荒漠区不同路面结构在实际路面荷载工况下,对沥青面层疲劳寿命的影响。结果表明:现场原型车辆加速加载作用下沥青路面层底最大拉应变随着时间的增长而增大,且与时间的数学模型关系为相关性较大的对数函数关系;当超载率从0.31%~39.84%时,沥青面层底拉应变急剧增加,从而加速了沥青路面疲劳破坏进程;同时,超载越严重沥青路面结构设计对增加路面疲劳寿命的影响就越小。     

贫混凝土基层沥青路面荷载应力有限元分析

为了研究贫混凝土沥青路面受力在不同路面结构和材料参数下的状况,通过三维有限元数值分析方法,分析了面层厚度、面层模量、应力吸收层厚度、应力吸收层模量和裂缝宽度对贫混凝土基层沥青面层层底应力的影响.路面结构计算与分析表明在贫混凝土基层-沥青面层复合式路面结构中,适当增加沥青面层厚度对防治反射裂缝十分有效,而通过提高沥青面层强度的方法来减少反射裂缝效果不明显;一定厚度和模量的应力吸收层能有效降低沥青面层底面应力水平;贫混凝土基层裂缝宽度对沥青面层底面受力具有较大的影响.