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。     

不同类型基层沥青路面设计指标的控制

以西安—铜川高速公路改扩建工程为依托,分析半刚性基层沥青路面、复合式基层沥青路面及柔性基层沥青路面的破坏形式,并建立与之相对应的设计指标体系。采用壳牌计算软件Bisar3.0分析材料参数对路面力学响应的敏感性,从路面受力均衡角度验证各类沥青路面设计指标的合理性。结果表明:对柔性路面采取弯拉应变与面层剪应力指标进行双控,可实现基层模量的合理取值;半刚性路面与复合式路面采取基层拉应力与面层剪应力指标进行双控,可对半刚性基层模量起到牵制作用;沥青路面设计增加抗剪指标尤为必要,可对材料参数起到制约作用,实现结构设计与材料设计的双重优化。     

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。     

行车荷载及路面结构对车辙影响的有限元分析

基于车辙的产生机理，采用实测轮胎接地压力，对柔性基层和半刚性路面结构内的剪应力进行三维有限元分析，结果表明，相同荷载条件下两种路面结构所受的剪应力有较大差异，水平力对剪应力亦有较大的影响；基层模量、面层厚度、面层模量对沥青层内的剪应力影响均比较显著．因此，为防治车辙，应该在路面设计时对路面结构组合类型的抗车辙能力进行充分的考虑，并严格控制超载．     

沥青混凝土路面抗车辙性能环道试验

为了减少沥青混凝土路面车辙病害,针对江苏省高速公路沥青路面建设中常用的路面组合形式,通过足尺环道试验评价了不同路面组合的抗车辙性能,为江苏省高速公路的建设推荐了合理的结构组合和混合料类型.试验结果表明:高温致使车辙深度迅速增加;沥青的性质影响车辙剪切流变部分的大小,在中面层使用改性沥青可减少车辙;与半刚性基层相比,沥青稳定碎石基层主要增加车辙的密实部分,而剪切流动部分几乎不变;上面层不同级配形式对混合料的抗车辙能力有显著影响;采用高粘度沥青、聚酯纤维SMA可减少沥青路面的车辙.     

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。     

FWD荷载作用下碾压混凝土基层沥青路面的动态响应试验

为研究碾压混凝土基层沥青路面在落锤式弯沉仪(falling weight deflectometer,FWD)荷载作用下的动态响应,铺筑了试验路,通过在试验路内部布设应变传感器,获取了不同工况条件下试验路路面结构层内的应变响应,分析了碾压混凝土基层沥青路面的动态特性及荷载、温度等因素对路面动态响应的影响,构建了碾压混凝土基层沥青路面结构沥青面层底最大水平拉应变预估模型.结果表明:FWD荷载作用下,在距离荷载板中心30 cm范围内路表弯沉变化较大,距离荷载板中心30 cm范围以外,路表弯沉随位置变化的幅度较小,且温度越高,这种趋势越明显;在加载中心点的正下方,路面结构层内部表现为拉应变,且荷载越大,应变越大;相同荷载作用下,碾压混凝土基层沥青路面的底基层、基层与面层底的应变均小于传统半刚性基层沥青路面,随着荷载水平增加及温度升高,路面结构层内部的应变逐渐增大;路面结构层底的应变随荷载增加呈线性增加,随温度升高呈指数增加,路面温度升高50%,50 kN荷载作用下沥青面层底的应变水平与100 kN荷载相当.     

实测轮载接地压力的沥青路面车辙贡献率研究

利用三维有限元计算工具,考虑沥青路面结构层不同的模量和厚度组合,结合实测的竖向轮胎-路面接地压力并考虑水平轮载,分析沥青路面结构层的车辙贡献率.分析结果表明:沥青路面结构层各层的车辙贡献率不同,并受模量和厚度组合情况的影响,尤其是模量的影响更为显著;横向力的大小对中面层剪应变车辙贡献率的影响较小,对每一层压应变车辙贡献率的影响也较小,但对上、下面层的剪应变车辙贡献率影响较明显;轻型货车对车辙的贡献十分突出,不容忽视.     

不同柔性基层沥青路面抗高温车辙性能分析

半刚性基层沥青路面是我国目前高速公路普遍采用的一种路面结构形式,但其容易产生温缩和干缩裂缝,从而导致沥青路面反射裂缝的发生,而柔性基层沥青路面则能避免这一缺陷,但其抗高温车辙性能如何则值得深入研究。     

沥青路面车辙预估方法的研究

以我国半刚性基层沥青路面车辙损坏为研究对象，在分析车辙的形成机理和车辙主要影响因素的基础上，通过半经验一半理论的分析方法，并结合大量的不同温度、不同压力、不同厚度的车辙试验、抗剪试验以及车辙试验剪应力的计算，提出了适用于我国半刚性基层沥青路面的车辙预估模型，并采用最小二乘法确定了预估模型参数，对沥青路面的设计和有效防止车辙损坏具有重要意义．     

煤直接液化残渣改性沥青路面结构车辙预估

为研究煤直接液化残渣(DCLR)改性沥青路面的抗车辙性能,基于京新(北京—乌鲁木齐)高速公路的交通环境调查数据,以车辙深度和动稳定度为指标,采用ABAQUS模拟和沥青路面结构分析软件(APAD)计算2种方法,分别对作为中面层的4种沥青混合料(DCLR改性沥青混合料、复合DCLR改性沥青混合料、SK-90沥青混合料和SBS改性沥青混合料)在同一路面结构(4 cm AC-13上面层、6 cm AC-20中面层、8 cm AC-25下面层、40 cm水泥稳定碎石基层和20 cm石灰土底基层)和不同使用年限(1、2、5、10、15年)下进行车辙预估,并通过室内车辙试验和统计学检验方法进行性能验证和模拟结果评价。结果表明:理论预测值与实际测试结果基本一致,在显著性水平取0.05时,2种车辙深度模拟计算方法不存在系统误差,即车辙预估具有一致性;4种沥青路面结构的车辙深度均随使用年限的增加呈线性增长,判定系数R~2均在0.9以上,其中复合DCLR改性沥青路面车辙增长速率最慢,DCLR改性沥青路面次之,第3为SBS改性沥青路面,最差为SK-90沥青路面;在设计年限15年内,与常规的SK-90和SBS改性沥青路面相比,DCLR和复合DCLR改性沥青路面分别减少了40%～60%和30%～50%的车辙,抗变形能力分别提高了1.7～2.4倍和1.4～2.0倍;复合DCLR改性沥青路面抗车辙性能最为优异,DCLR改性沥青路面强于SBS改性沥青路面,SK-90沥青路面抗车辙性能最差。     

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.     

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。     

基于车辆加载实验的沥青路面动力响应分析

为研究车辆荷载作用下路面结构的动力响应,对沥青路面进行不同轴重,车速及不同的沥青层厚度条件下路面动力响应实测。结果表明:(1)柔性基层底部、下面层底部应变随车速增加而减小,随轴重增加而增大;(2)轴重相同时,下面层底部应变大于柔性基层底部应变;(3)下面层底部及柔性基层底部应变均随沥青层厚度增加而减小,厚度增加至23 cm时柔性基层底部应变不再显著降低;(4)基于层状弹性理论体系的计算结果与实测应变发展趋势并不一致,计算结果显示柔性基层底部应变大于下面层底部,拉应变随深度增加而增大,而实测结果表明最大应变并没有如计算那样出现在柔性基层底,而是出现在下面层底,因此经典层状弹性理论体系中以沥青混合料层底拉应变为最不利应变具有一定局限性。     

超载和层间滑动对半刚性基层沥青路面结构损坏机理研究

对现有半刚性基层沥青路面的损坏状况进行了调查分析,得到主要原因为重载交通和基层、沥青层层间接触不佳。采用弹性层状体系,从理论上分析了超载和层间接触对路面结构响应的影响。结果表明,超载对路面结构应力、应变和位移最大值产生不利影响,而层间滑动对整个路面结构应力、应变和位移均有不利影响。半刚性基层与沥青面层和底基层两个界面在超载的作用下产生滑动,进而引起整个路面结构受力恶化导致破坏。提高面层与基层的层间粘结力和抗萌强度至关重要。     

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.     

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MLS66加速加载试验的半刚性基层沥青路面力学响应分析

为研究半刚性基层沥青路面结构的力学响应变化规律，采用MLS66加速加载设备在不同路面温度场及加载速度下进行路面测试.结果表明：测点位置对面层层底横向应变的影响最为显著，对纵向应变的影响较弱，二者最不利荷载位置均为双轮中心；竖向应变受测点位置的影响最不明显.基层和底基层层底的最不利荷载点也在双轮中心.面层层底三向应变幅值与温度正指数相关，其中竖向压应变最为明显，温度每升高1℃,应变增加59.4×10^-6;基层、底基层应变幅值受温度影响较小.加载速度降低导致面层层底纵向、竖向应变幅值和作用时间的增加，速度由22 km/h降低至10 km/h时，作用时间分别增加110%和67.6%,这将引起面层的疲劳开裂以及压密型车辙.因此对于交叉路口和停车频繁的路段，应注意对该层位进行优化设计.     

半刚性基层沥青路面早期病害及破坏机理研究

半刚性基层沥青路面结构使用过程中会出现多种早期病害,如半刚性基层开裂、面层反射裂缝、水破坏和车辙等,通过分析这些病害的成因,阐述其破坏机理,指出了我国当前沥青路面设计中存在一些不合理之处。     

基于弯沉与层底拉应力指标的沥青路面结构层疲劳寿命匹配性

针对沥青路面结构层位与其设计寿命的匹配性问题,分析了在用公路沥青路面面层与基层的破坏先后顺序及其原因,推导得到了基于现设计指标弯沉与层底拉应力的沥青路面结构层疲劳寿命计算公式。以我国高速公路半刚性基层沥青路面典型结构为例,计算获得了各结构层顶面的弯沉和层底拉应力,据此反算了各结构层的疲劳寿命。研究发现,按现规范的等寿命设计思想设计出的沥青路面结构,无论是其实际寿命或是计算出的各结构层疲劳寿命,均呈现出较大的差异性,基层的疲劳寿命远远高于面层的疲劳寿命,表明沥青路面结构层层位与其设计寿命存在着不匹配性。因此,采用疲劳寿命逐层递增的方法进行耐久性沥青路面各结构层寿命组合设计是必要的,也是可行的。