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。     

超载对AC-25沥青混合料疲劳极限影响

为了评价超载诱发的高应变对长寿命沥青路面底层沥青混合料低应变疲劳极限的影响,采用四点弯曲小梁疲劳试验,对AC-25沥青混合料进行了低—高交变应变循环加载,分析了弯拉劲度、相位角、耗散能和累积耗散能以及疲劳耐久极限的变化规律。结果表明:在低应变水平疲劳试验中引入高应变水平疲劳加载,对AC-25混合料弯拉劲度有一定加速衰减的作用;同时,沥青混合料在进行高应变水平疲劳加载时,其相位角小于低应变水平,而耗散能和累积耗散能均大于低应变水平加载;当由高应变水平恢复至低应变水平疲劳加载时,混合料有自愈合特征,弯拉劲度、相位角、耗散能和累积耗散能的变化趋势近似按照低应变水平进行;因此,超载诱发的有限大小高应变会对长寿命沥青路面层底沥青混合料造成一定损伤,但由于自愈合特性,并不会完全破坏混合料疲劳极限特征。     

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.     

机场柔性道面结构的飞机当量单轮荷载

通过引入机场柔性道面结构的飞机当量单轮荷载系数ζ和旁邻轮影响系数φ;明确了当量单轮荷载的概念和计算公式。分别基于结构层层底弯拉应力、应变和土基顶面压应变设计指标,分析了主起落架构型分别为双轮、双轴双轮和三轴双轮的飞机当量单轮荷载系数ζ随机场道面结构参数的变化规律。研究表明:计算沥青面层层底弯拉应变,刚性、半刚性基层层底弯拉应力的当量单轮荷载系数ζ时仅考虑计一根(或一排)轴载的影响;计算土基顶面压应变的ζ时可计入所有旁邻轮的影响。最后,给出了基于结构层层底弯拉应力、应变和土基顶面压应变的40余种飞机的当量单轮荷载系数ζ的近似回归公式。     

基于疲劳累积损伤的高模量沥青路面使用寿命预估

为了精确预估高模量沥青路面的使用寿命,以疲劳累积损伤理论为基础,提出考虑沥青路面结构温度分布、轴载分布以及沥青混合料疲劳性能的使用寿命预估新方法。根据劈裂强度试验和间接拉伸疲劳试验确定P0-AC-25(未掺加PR-Module)和P0.5-AC-25(PR-Module掺量为0.5%)的2种沥青混合料的应变疲劳方程;依托抚吉(抚州—吉安)高速公路工程,计算全年路面温度区间分布频率、全年路面轴载等级分布频率以及设计年限内不同温度区间的不同轴载等级的作用次数,并引入到计算路面结构面层层底拉应变的过程中,使拉应变更加符合路面实际情况。基于Miner疲劳累积损伤原理,计算不同温度区间、不同轴载等级下的P0-AC-25和P0.5-AC-25两种沥青混合料的疲劳累积损伤,进而得出抚吉高速公路普通沥青路面和高模量沥青路面基于疲劳累积损伤的使用寿命。研究结果表明:抚吉高速公路基于疲劳累积损伤的高模量沥青路面和普通沥青路面使用寿命分别为14.21、11.52年,故高模量沥青路面比普通沥青路面耐疲劳性能好,使用寿命约提高23.5%。以面层层底拉应变为力学指标的沥青混合料疲劳寿命预估,以及基于疲劳累积损伤的沥青路面使用寿命预估的新方法充分考虑了沥青路面结构温度区间分布和轴载等级分布,建立了较为精准的预估模型,准确描述了沥青混合料疲劳衰减的过程和规律。     

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.     

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。     

级配碎石基层沥青路面合理沥青层厚度

为得到适用于级配碎石基层沥青路面的合理沥青层厚度,当级配碎石基层厚度为20cm时,利用BISAR 3.0程序计算不同沥青层厚度(4~36cm)路表和面层底部应变、路基顶面压应变、沥青面层和级配碎石基层内不同深度剪应力,进一步根据不同结构层的应力应变疲劳极限确定不同沥青层厚度级配碎石基层沥青路面结构疲劳开裂、永久变形和车辙的病害状况,根据路面结构使用性能和耐久性实现沥青层厚度的优选。为验证薄沥青层级配碎石基层路面结构力学响应和长期使用性能,采用足尺路面加速加载试验(APT),对5cm沥青层厚度路面结构的力学响应、长期使用性能及病害特征进行验证。结果表明:当级配碎石基层厚度为20cm时,沥青层不宜过薄,沥青层厚度h15cm时易产生过大的路表永久变形和自上而下的疲劳开裂;沥青层厚度为5~18cm时,存在较大的面层层底拉应变、路基顶面压应变、沥青面层和级配碎石基层最大剪应力的不利受力组合;沥青层厚度h1≥34cm时,可满足长寿命沥青路面的使用要求;若条件受限时,宜保证沥青层厚度h1≥18cm;由APT试验结果可知,沥青层厚度为5cm时,沥青层层底拉应变计算结果、路面结构剪应力计算结果与试验路实际使用状况基本符合,路面结构主要病害为车辙和永久变形,疲劳开裂并不明显,但路基顶面压应力计算值偏小,该值不宜作为路面结构设计依据。     

均布荷载下横观各向同性沥青路面力学行为分析

文章采用广义Maxwell模型描述沥青混合料面层的黏弹性,考虑碎石基层和土基的横观各向同性特征对路面结构力学行为的影响。在弹性假设条件下引入材料水平模量与竖直模量比值为变量,运用有限元方法建立路面结构三维有限元模型;通过模拟计算,对比分析均布荷载作用下碎石基层和土基各向同性与横观各向同性对各结构层应力和应变及路表弯沉值的影响,并对沥青路面服务寿命进行预估分析。分析结果表明:均布荷载作用下碎石基层的横观各向同性特征对路表弯沉影响较小,而土基横观各向同性特征对路表弯沉影响较大;路基顶部压应变受碎石基层及土基横观各向同性特征影响较大,而面层层底拉应变和基层底拉应力仅受碎石基层横观各向同性特征影响较大;沥青路面服务寿命受碎石基层横观各向同性特征影响较大,且在碎石基层各向同性时服务寿命最长。因此,在路面结构设计中应适当考虑基层和路基材料的横观各向同性特征。     

考虑轮迹横向分布的沥青路面疲劳寿命修正系数

为了研究轮迹横向分布对沥青路面结构使用寿命的影响,道路施工过程中,在沥青面层底部布置动应变传感器,研究移动荷载下半刚性基层沥青路面动力响应横向分布规律。综合考虑轮迹横向分布和路面结构动力响应横向分布,计算得到沥青路面疲劳寿命修正系数。研究结果表明:移动车轮荷载下,沥青面层底部最大纵向拉应变的横向分布呈M形,进行沥青路面疲劳寿命评估时,只需要考虑距双排轮胎中心40cm之内位置产生的破坏作用;沥青面层底部横向弯拉应变的横向分布比较复杂,进行疲劳寿命评估时,只需要考虑轮胎下部产生的破坏作用。试验路的疲劳寿命修正系数为0.16,可为类似半刚性基层沥青路面结构设计和疲劳寿命评估提供参考。     

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。     

基于FWD荷载下的沥青路面实测动力响应分析

沥青路面基于高度条件和重载作用,其受力状态以及静载模式下的受力条件都会产生极大差异.通过试验分析基于动载激励条件下沥青路面的动态响应规律,在此基础上分析沥青路面的损害机理.为研究动态荷载作用下沥青路面的实测动力响应,基于实际工程,构筑了3种典型的沥青路面,采用FWD(落锤式弯沉仪)分析沥青路面的动态弯沉盆特性,通过动态应变传感器,得到基于动态荷载下的层底弯拉应变响应.结果表明:沥青路面结构的动态响应随FWD荷载的变化表现出非线性特性,3种沥青路面结构的面层底具有较低的应变状态,且几乎不对路面累计疲劳造成损伤,相对于横向应变,具有较大的纵向应变能力.     

玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性沥青混合料路用性能研究

为了探索玄武岩纤维和抗车辙剂复合添加对沥青混合料的增强效果,本文通过室内试验研究复合改性沥青混合料的路用性能,并与单掺一种改性剂的沥青混合料进行对比。试验表明与单掺玄武岩纤维沥青混合料相比,复合改性沥青混合料动稳定度提高320%,冻融劈裂强度比提高5%,疲劳破坏寿命提高14.6%;与单掺抗车辙剂的沥青混合料相比,复合改性沥青混合料低温抗弯拉应变提高53%,冻融劈裂强强度比提高8%,疲劳破坏寿命提高31.5%。玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性能明显提升善沥青混合料路用性能。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及形变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性并分析其形变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立考虑路面材料疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤和水平正应变的空间分布与演化规律,以及路表弯沉随荷载作用的演变规律.结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,基层层底与底基层层底损伤度随荷载作用均增加,但增加幅度逐渐减小;路面结构层内水平正应变在荷载作用下,靠近层底位置拉应变逐渐增大,但增加幅度逐渐减小,中性轴上移;路表弯沉在荷载作用下逐渐增大,但增加幅度逐渐减小.研究结果可为沥青路面结构设计、养护维修及长期性能预测提供理论支撑.     

沥青路面在半正弦荷载下的力学响应

研究轮胎/路面的接触印迹特征及随机荷载作用特点,采用ABAQUS软件构建路面结构三维有限元模型,对半正弦荷载作用下的沥青路面力学响应进行分析。结果表明,半正弦荷载作用下沥青路面的上面层和中面层出现应力应变集中,应力应变值随路面深度的增加而逐渐减小;沥青路面的竖向、横向及纵向应力最大值均出现在上面层,且竖向应力最大,横向应力次之,纵向应力最小;竖向、横向应变最大值出现在上面层,纵向应变最大值出现在上-中面层,且路面结构内部出现反复的纵向拉-压变形,这很可能是沥青路面轮迹带附近材料产生疲劳损坏的根本原因。另外,荷载作用时间和路面温度对沥青路面应变的影响要大于其对应力的影响,路面温度的升高导致应变增大且延迟了残余应变的恢复时间。     

沥青混凝土路面装配式基层连接方式力学特性

为了深入研究沥青混凝土路面装配式基层结构的力学特性,运用ABAQUS有限元软件分别模拟静载和动载作用下,凹凸相嵌合连接以及静载作用下板块边长对装配式基层力学性能的影响.研究结果表明:当预制板块的边长为1.5 m时,沥青混凝土路面装配式基层结构基层底部的最大竖向应变值最小;设置凹凸相嵌合连接使得板底的最大竖向应变减小,并且可以增强装配式基层的协同工作能力,但有无连接的装配式基层结构均能满足板底的最大竖向应变及板底最大水平拉应力要求.     

考虑季节变化的沥青路面设计方法

路基及沥青路面材料强度是随季节变化的，相同荷载作用下的路面结构中实际应力、应变及疲劳破坏程度不同季节是不同的．在轴载换算时需要进行季节修正．通过分析路面设计基础参数的变化，指出了现行沥青路面设计规范的不足，在理论分析的基础上，借鉴国外的设计方法，对现行规范的修改提出了建议，给出了考虑季节变化的沥青路面设计方法．     

路面加铺后旧沥青混合料的疲劳性能

针对老路面沥青层在加铺前后的不同受力状态,提出了两级荷载疲劳试验研究加铺后老路面沥青混合料疲劳性能的思路.通过小梁试件的室内两级荷载疲劳试验,获得了几种常用沥青混合料的二次疲劳方程,并在考虑室内与野外疲劳寿命差异的基础上,建议方程修正系数取1200.推荐了老路沥青层混合料抗拉强度结构系数供加铺设计参考.研究表明:沥青混合料二次疲劳方程与常规一级荷载疲劳方程具有相同的型式,且两者疲劳曲线的斜率没有变化,但由于一级荷载损伤的不同,二次疲劳曲线的位置有不同程度的下移;推荐的老路沥青层混合料抗拉强度结构系数克服了现有规范中沥青混合料抗拉强度结构系数不能用于老路沥青层底拉应力验算的缺陷,可直接用于加铺层设计或验算.     

考虑层间接触状态的沥青路面力学性能分析

为研究不同层间接触状态的沥青路面力学性能,借助ABAQUS构建路面三维有限元模型分析了路面温度场下不同的层间接触状态对路面力学性能的影响,并建立了考虑层间接触状态的疲劳性能预估模型。研究表明：当深度路面在0.68 m以上,路面温度与深度呈三次多项式关系、路面深度在0.1 m以上时路面温度与外界环境气温呈二次多项式关系;层间接触状态对沥青路面拉应力影响最大、剪应力次之、对竖向变形影响最小,低速、重载的车辆能使路面最大拉应力、最大剪应力、最大竖向位移分别增大90.0%、70.0%、63.2%;与完全连续状态相比,随着层间接触状态的劣化,沥青路面的疲劳寿命最大降低了75.6%。可见为延长路面的使用寿命,施工时应连续铺装压实,严格控制层间粘结质量。     

加锚头丝沥青混凝土路面结构的抗裂性能试验

针对沥青混凝土路面开裂问题,在沥青面层和基层沿道路纵向布设锚头丝,对路面结构施加预应力防止路面开裂。通过室内试验,对加锚头丝和不加锚头丝的沥青混凝土试件分组做了力学性能对比研究,并对不同锚头形式的应用效果进行了分析。结果表明:加锚头丝的沥青混凝土试件比不加锚头丝的沥青混凝土试件的抗拉强度、抗弯拉强度和疲劳性能分别平均提高了60.74%、46.40%、134.02%;锚头形式为直径1.3 mm的钢丝焊接角铁试件的抗拉强度值最大,而锚头形式为直径为1.1 mm的铁丝加小螺丝帽试件的抗弯拉强度值和疲劳次数最大。