不同荷载模式作用下饱水沥青路面结构动力响应对比分析

目的探讨不同荷载模式下饱水沥青路面结构的水损害机理,改进和完善沥青路面防排水设计方法.方法基于沥青混合料的渗透试验和多孔介质流固耦合理论,采用非线性有限元方法,对比分析了碗形分布荷载和均布荷载作用下饱水沥青路面结构各力学场量的变化并进行数值模拟分析.结果在均布荷载和碗型荷载两载模式下,饱水沥青路面结构内部各力学场量的时程变化特性相类似,均随着车轮动荷载的作用过程表现出波动性和滞后性,孔隙水压力对体积应力和应变影响较大.与均布荷载下计算结果相比,碗形分布荷载作用时上面层内最大正孔隙水压力高0.18倍,下面层底部最大水平拉应力和最大水平拉应变分别高0.14倍和0.15倍,中面层底部最大竖向压应力和基层底部最大竖向拉应力分别高0.23倍和0.03倍,路表最大竖向位移高0.07倍,面层内最大剪应力高0.05倍.结论在碗形分布荷载作用下,饱水沥青路面更容易产生水损害.采用接近于实际车轮荷载的碗形分布荷载模式来开展饱水沥青路面动力响应分析更为合理.     

动载作用下沥青路面内部孔隙水压力的轴对称弹性解

将沥青路面视为多层饱和弹性半空间轴对称体,引入比奥渗流固结理论和渗流方程.利用Hankel和Laplace积分变换等数学方法,推导出浸水沥青路面的沥青路面水损害力学模型,并做出如下假设:除渗透性外,沥青混凝土是均质的、完全饱和的理想弹性材料;沥青混凝土的变形是微小的;沥青混凝土和孔隙水均不可压缩;孔隙水渗流服从达西定律,渗透系数为常数.计算了沥青路面结构层孔隙水压力大小.结果表明,沥青面层内的孔隙水压力与面层渗透系数、面层厚度、结构层材料参数以及车辆行驶速度等有密切关系.当路表孔隙饱水时,在荷载作用下,面层中以及面层与基层的接触面附近孔隙水压力最大,在荷载的反复作用之下,导致疲劳开裂破坏,加速路表病害的出现.     

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。     

沥青路面动水压力计算及其影响因素分析

为了分析沥青混凝土路面在循环车辆荷载作用下的孔隙水压力反应,针对饱水情况,利用变温粘弹性理论和Biot动力固结理论,由Galerkin加权余量法,形成以节点位移及节点孔隙水压力为状态参数的有效应力有限元格式;并选取常用的双圆荷载计算模型,对饱水沥青路面孔隙水压力的空间和时间分布进行计算.计算结果表明:有效应力及孔隙水压力均与外荷载具有相似的波形,只是在不同空间位置出现不同的峰值大小和相位滞后.通过分析可以得出:渗透系数和加载速率是影响孔隙水压力峰值的2个关键参数,它们对后者具有负指数影响效果.     

突加集中荷载作用下饱和土-深埋圆形隧道衬砌系统的非轴对称动力响应

考虑饱和土与深埋圆形衬砌的相互作用,研究了突加集中荷载作用下饱和土-衬砌系统的非轴对称动力响应.基于Biot理论和弹性理论,采用Laplace变换和Fourier级数,考虑衬砌边界条件以及衬砌与饱和土交界面处的连续性条件,在Laplace变换域内求得突加集中荷载作用下饱和土-弹性衬砌耦合系统的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.利用Laplace逆变换Crump数值反演方法得到饱和土-衬砌系统动力响应的数值解,并分析了土体和衬砌系统的力学、几何等参数对系统动力响应的影响.结果表明:5倍隧道衬砌半径以外处土体的动力响应远小于隧道附近土体的动力响应;衬砌刚度和厚度对土体位移和应力影响显著,但对孔隙水压力影响较小;孔隙水的可压缩性对土体位移的幅值影响不大,但对应力幅值的影响较为显著.     

考虑温度影响的饱和土有效应力原理

热-力耦合是当今岩土工程领域颇为关注的研究课题之一,是涉热岩土工程问题(如能源地下工程、放射性废料处置、输油及热力管道和热法地基处理等)的理论基础。经典土力学中有效应力原理描述了饱和土体在荷载作用下土骨架和孔隙流体之间的压力分布,但针对热-力耦合作用下土骨架及孔隙水之间的压力分布及其变化的研究罕有报道。该文从饱和土体宏观热固结响应出发,结合经典的有效应力原理,分析加热对土骨架和孔隙水的影响,推导考虑温度影响的有效应力和孔隙水压力表达式,建立考虑温度影响的饱和土有效应力原理,探讨不同位移边界和排水边界条件下有效应力和孔隙水压力的分布变化。结果发现:在热-力耦合作用下,土体的总应力、超静孔隙水压力和有效应力均随温度变化而变化;加热引起的温度应力和热孔压随时间变化而变化,影响土体的压缩性和强度,并进一步影响固结压缩过程和压缩量。该研究结果可为热固结理论推导及其他涉热岩土工程问题分析提供技术支撑。     

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。     

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。     

重载和温度作用下橡胶沥青应力吸收层的抗裂性能

目的探索沥青路面应力吸收层的防裂效果,提高重载及低温环境下沥青路面的使用寿命.方法运用ABAQUS软件建立含裂缝沥青路面三维有限元模型,通过分析对比沥青路面面层层底σ_(11)、σ_(22)、σ_(33)、τ各应力值及路表弯沉值,确定橡胶沥青应力吸收层合理厚度和弹性模量;在低温状态下,分析橡胶沥青应力吸收层的厚度和弹性模量分别对沥青路面面层表及面层底的拉应力及剪应力的影响,从而确定橡胶沥青应力吸收层在低温和重载环境下的防裂效果.结果在重载交通作用下橡胶沥青应力吸收层推荐的厚度为3 cm,弹性模量为800 MPa;在低温状态下,橡胶沥青应力吸收层的厚度对面层底的拉应力影响很大,而弹性模量对面层底部拉应力的影响很小.结论橡胶沥青应力吸收层对沥青路面裂缝的产生起到很好的抑制作用,能消散面层与基层之间力的作用从而延缓反射裂缝的发生,延长路面的使用寿命.     

高等级公路路面沥青层剪应力分布研究

采用实测轮胎接地有效面积和接地压力,通过编写Fortran程序将交通荷载转化为移动均布荷载,对三维多层的沥青路面进行有限元动态分析,得到路面沥青结构层剪应力沿深度方向的分布规律.结果表明,不同荷载条件下路面沥青层剪应力的差异明显,水平力对剪应力亦有较大影响;路面面层回弹模量、泊松比及基层回弹模量对剪应力的影响均比较显著.     

湿度影响下的重载交通沥青路面动力响应

考虑地下水和雨水入渗的影响,运用ABAQUS软件建立重载交通沥青路面动力分析模型,分析地下水上升和降雨入渗引发路基湿度变化后的路基动态回弹模量分布规律,以及三轴双轮移动重载作用下沥青路面的动力响应.分析结果表明,地下水距路基顶面越近,对路基模量的分布影响也越显著,降雨入渗与动载共同作用处的路基模量折减更明显;地下水位距路基顶面高度从6 m减至2 m时,面层层底拉应变由70×10~(-6)增至173×10~(-6);降雨强度增大对外侧车道处的面层层底拉应变影响巨大,对中间车道的影响较小;降雨天数增加,两侧车道的面层层底拉应变反而减小,而中间车道的趋势相反,拉应变随着降雨天数增加而增大.     

基于有限元ANSYS的半刚性基层沥青路面力学响应分析

为解决乌鲁木齐市城市道路半刚性基层沥青路面横、纵向裂缝和车辙病害严重的问题,选取乌鲁木齐市城市道路典型的半刚性基层沥青路面结构,对面层厚度、基层模量以及基层厚度进行规律性的变化,研究沥青路面结构在不同行车荷载作用下的力学分布及变化规律.利用ANSYS有限元软件对不同行车荷载作用下的半刚性基层沥青路面结构进行仿真计算,并对提取的数据进行分析.结果表明:随着沥青路面厚度的增加,沥青层拉应力和剪应力均逐渐减小,但减小幅度却各有不同;随着半刚性基层厚度的增加,沥青层拉应力和剪应力均逐渐减小,且减小幅度均较小;随着半刚性基层模量的增加,竖向位移和沥青层剪应力均逐渐减小.因此,建议沥青面层在18～20 cm取值,半刚性基层厚度在35～40 cm取值,半刚性基层模量在1500～1600 MPa取值.     

沥青路面结构层弯拉应力与应变的近似计算

研究了各种条件下沥青路面结构弯拉应力和应变规律,引入曲面系数修正竖向压应力和剪应力的影响,引入面层弯曲中性轴下移量参数修正层间光滑与连续之间的差异,引入面层与基层弯矩分配系数反映面层、基层弯曲曲率不同的影响;对于模量不均匀面层,提出了弯曲刚度等效原则换算式;最后,讨论了各种条件下的沥青面层层底弯拉应变、半刚性或刚性基层层底弯拉应力的计算精度,其误差均不超过5%.     

横观各向同性的半刚性基层沥青路面结构

为了分析土基和沥青面层材料的横观各向同性特性对半刚性基层沥青路面结构的影响,基于建立的横观各向同性沥青路面设计理论,运用编制的基于该理论解的路面结构分析程序ANISOLAYER,利用沥青面层及土基横观各向同性特性,对半刚性基层沥青路表(路表面)弯沉进行了研究。同时运用ANISOLAYER程序分析了在不同厚度沥青面层及不同半刚性基层弹性模量情况下,土基横观各向同性特性对路面结构关键性设计指标的影响(路表弯沉、半刚性基层底部拉应力及路基顶部压应变,沥青层底应变为压应变或较小的拉应变,故未考虑)。研究结果表明:无论是面层还是土基,其各向异性度(水平弹性模量与垂直弹性模量之比)对路表弯沉的影响曲线变化趋势是一致的;随着土基水平模量的增加,延长了路面的寿命;随着半刚性基层弹性模量的增大,土基水平模量的变化对路表弯沉及基层底部拉应力的敏感性将降低,对路基顶部压应变的敏感性更加显著,但其绝对值较小。     

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。     

高胎压下机场环氧沥青道面结构动力响应分析

新一代飞机(B787和A350/380)轮胎充气压力普遍达到了1.5 MPa,这进一步加剧了重载高胎压对沥青道面结构响应的影响,而热固性环氧沥青混合料因其优异的力学性能成为重载高胎压条件下的理想选择.基于ABAQUS建立了考虑竖向接触应力不均匀分布的机场环氧沥青道面结构动力响应三维有限元模型,并利用现场足尺加速加载试验结果对模型进行了验证.在此基础上,就接触应力分布、轮胎充气压力大小、温度场分布和道面结构材料特性等因素对道面结构响应的影响进行了分析.结果表明:不均匀接触应力增大了道面结构响应量;重载高胎压条件下,从减少车辙和开裂的角度而言,环氧沥青铺装材料较沥清玛蹄脂混合料具有更好的适用性,但要注意防止中、下面层的塑性变形累积和环氧沥青层底的弯拉疲劳开裂.     

基于横观各向同性碎石底基层沥青路面结构分析

基于所建的横观各向同性层状弹性体系解,使用编制的基于该理论解的路面结构分析程序ANISOLAYER,分析了碎石材料横观各向同性特性对碎石底基层半刚性沥青路面结构的影响,对于软土地基来说,起到一定的加筋作用,随着粒状类材料水平模量的减小,可有效地降低半刚性基层底部的拉应力,使路面结构的受力状况更加符合实际,而且从路表弯沉、沥青层底部拉应变、半刚性基层底部拉应力以及路基顶部压应变来看,都使路面的寿命减小。     

软土地基路基不均匀沉降引起路面结构附加应力

以解析解表达式为基础详细分析了不同沉降量和路面结构参数对路面结构附加应力的影响。沥青面层的厚度增大 ,面层底面的附加压应力近线性减小 ,而基层底面和底基层底面附加拉应力却近线性增大 ;随着基层厚度和底基层厚度的增加 ,路面各结构层附加应力都呈线性增大。沥青面层模量和底基层模量对面层底面的附加应力影响明显 ,而基层模量影响不太明显 ;基层底面及底基层底面附加拉应力随着各层模量的增加呈线性增大 ,沥青面层模量及底基层模量对层间剪应力影响尤其明显。