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。     

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。     

路面结构设计参数与力学指标分析

选取影响贫混凝土基层沥青路面使用性能的7个因素,沥青面层厚度与模量、贫混凝土基层厚度与模量、水泥稳定碎石底基层厚度与模量、路基模量,对每个因素选3个典型值,运用正交试验,通过对路表弯沉、基层层底拉应力和底基层层底拉应力3个力学指标的极差与方差分析,得出各因素对各力学指标影响程度的大小以及各力学指标下的最优组合.     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑碎石横观各向同性的路表弯沉及结构分析

使用基于横观各向同性层状弹性体系解编制的路面结构分析程序ANISOLAYER,对沥青路表弯沉进行了分析. 结果表明,当碎石基层厚度达到一定程度后,其横观各向同性特性对路表弯沉的影响将不明显.不同沥青面层厚度情况下,碎石基层水平模量对路面关键性设计指标的影响分析结果表明,将碎石材料看作横观各向同性体可有效降低基层底部的拉应力,基层水平模量的变化对路面关键性设计指标影响较大;较厚的沥青面层以及适中的基层厚度,可使路表弯沉和面层底部拉应变降低;而对于薄及中厚沥青面层,基层横观各向同性特性对路基顶部的压应变影响较大.     

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。     

基于力学响应的全厚式高模量沥青路面结构组合及优化

为了分析高模量沥青混凝土在全厚式沥青路面中的合理层位及使用情况,基于山东省典型全厚式沥青路面结构,通过构建全厚式沥青路面结构数值模型,分别将高模量沥青混凝土置于下面层、基层、底基层、基层+底基层、下面层+底基层及不设置高模量沥青混凝土六种工况,分析了各工况条件下力学响应指标的差异,以力学响应改善率为指标确定高模量沥青混...     

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.     

动荷载作用下沥青路面的表面裂缝扩展研究

【目的】研究沥青路面表面裂缝在动荷载作用下的扩展行为,分析完整沥青路面结构和含表面裂缝结构的负荷响应,探讨应力强度因子K₂随着荷载变化的规律,以及表面裂缝在扩展过程中K₂的敏感性,为公路工程中路面结构抗裂设计提供一定理论依据。【方法】应用有限元软件ABAQUS建立沥青路面表面裂缝结构模型,基于动力学理论对交通荷载作用下沥青路面结构进行数值计算。【结果】动荷载作用下,完整沥青路面的表面弯沉较静态荷载有所减小,随着裂缝扩展深度的增大,弯沉值会逐渐增大; 动应力强度因子K₂的变化曲线较荷载变化曲线具有一定的滞后性,且最大值大于静态荷载下K₂的值; 表面裂缝向下扩展过程中,K₂在扩展前期增长速率较快,扩展至面板厚度一半后,K₂的增长速率逐渐放缓; 减小面层模量、增大基层模量和厚度,能够较好地抑制表面裂缝的扩展,其余参数则影响较小; K₂随着行车荷载的增大呈线性增长趋势,裂缝扩展越深K₂增加越显著。【结论】延长含表面裂缝的沥青路面结构的使用寿命,较好的方法是减小面层动态模量,适当增大基层的动态模量以及增大基层的厚度。     

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℃和25～30℃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℃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℃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。     

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。     

半刚性路面疲劳特性的环道试验研究

通过室内环道试验，对半刚性基层沥青路面基层、底基层材料的疲劳衰减规律进行了深入研究，研究表明底基层为半刚性路面的临界荷位与半刚性材料的应变疲劳规律取决于其应变状态，通过实测应变与理论应变的对比分析，认为各层应变值与用抗压回弹模量的计算应变值较吻合，建议在弯沉和弯拉应力（应变）验算时统一采用抗压回弹模量。