广义Paris公式预测沥青路面的疲劳寿命

重复作用的交通荷载可以在路面沥青混合料细微缺陷或裂缝的尖端造成应力集中并以复杂的形式自上而下扩展,最终导致路面的疲劳开裂破坏．本文应用断裂力学的原理探讨沥青路面疲劳寿命的预测方法．计算与分析表明：广义Paris公式可以考虑沥青路面结构内材料复杂的裂缝扩展;沥青面层的疲劳寿命随着面层厚度的增加以近似线性的幂函数的形式增加;另一方面,沥青面层的疲劳寿命随着面层材料模量的降低以负指数的幂函数的形式增加．     

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。     

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。     

路基土非线性性质对半刚性基层模量反算的影响

采用数值仿真技术,利用有限元软件MSC-NASTRAN模拟承载板试验,在充分考虑路基土非线性性质的基础上,对半刚性基层及底基层材料进行了模量反算。结果发现,路基土非线性性质对半刚性底基层的模量反算影响较大,而对半刚性基层的模量反算影响相对较小;另外还得到了一些较有价值的结果,对现场测定半刚性材料模量有一定的参考价值。     

土基模量随季节变化对沥青路面设计的影响

针对最不利季节土基强度值过低且不能真实反映不同季节土基强度变化的问题,引入等效回弹模量作为土基强度的设计值.根据东北地区粘性土、华北地区粘性土和西北地区黄土所测得土基回弹模量随季节的变化情况,得出不同地区的等效回弹模量值.通过对不同等级、不同轴载作用下沥青路面结构设计计算,分析了不同土基强度取值对路面结构层厚度的影响.结果表明:用等效回弹模量作为土基强度的设计值,土基设计强度提高了50%～60%,沥青路面结构层厚度平均减小10.4 cm.     

考虑温度作用下的半刚性沥青路面的疲劳断裂分析

在断裂力学理论的基础上,采用耦合热应力分析的方法借助三维有限元模型,研究分析了大温差作用下基层带裂缝半刚性沥青路面结构的应力强度因子,并与行车荷载作用下的实验结果进行比较分析。研究表明,随着裂缝长度的增加和实验温度的降低,张开型应力强度因子和剪切型应力强度因子不断增加;与行车荷载相比,低温大温差对路面破坏影响更为严重。研究测算结果显示,本研究对沥青路面疲劳寿命的估算预测方法与实际更为接近。     

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。     

基于土基压应变指标的沥青面层等效温度及疲劳寿命修正系数

基于路基压应变指标和疲劳损伤等效原则,提出沥青面层等效温度的概念及其计算公式;分析沥青面层温度状况与路基疲劳寿命的关系,总结基准状况下沥青面层等效温度的规律;引入路基疲劳寿命修正系数,建立基准状况下路基疲劳寿命修正系数与地区海拔、路表温度年均值及标准差之间的回归式,据此推算得到全国738个地区的基准路基疲劳寿命修正系数值,绘制了全国基准路基疲劳寿命修正系数等值线图.随后,建立了简便实用的基准路基疲劳寿命修正系数与年平均气温和月平均气温年极差之间的回归关系式.最后总结了非基准各因素对路基疲劳寿命修正系数的影响规律,给出了近似修正式.     

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SCB试验的既有高速公路半刚性基层疲劳寿命预估

为了利用现行路面设计规范中基层结构疲劳寿命计算方法对既有高速公路半刚性基层进行疲劳寿命预估,首先对所取基层芯样进行半圆弯曲(SCB)疲劳试验,得到基层疲劳寿命方程;然后根据力学试验数据以及理论模拟,建立了无侧限抗压强度和弯拉(劈裂)强度,及落锤式弯沉仪(FWD)弯沉差与基层层底拉应力之间的回归方程;最后借助SCB疲劳试验方程和建立的回归关系,构建了以无侧限抗压强度和FWD弯沉差为指标的基层疲劳模型,并进行模型验证。结果表明：SCB试验中半圆试件在底部切口上方及两端区域内受拉应力作用,这与利用BISAR计算的基层内部实际受力状态一致。半刚性基层材料的无侧限抗压强度和半圆劈裂强度具有较好的线性正相关性,即抗压强度较高的材料其抗裂性能也较高。利用建立的疲劳模型可以得到路段A、B、C、D二灰稳定碎石基层在99%保证率下的疲劳寿命分别为6.496×10¹⁰、2.541×10¹⁰、6.569×10¹⁰和5.378×10¹⁰次。经验证,其相对误差在8%以内,满足精度要求,可以为既有半刚性基层利用策略提供决策依据。     

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。     

沥青面层的疲劳等效温度

分析了沥青面层疲劳寿命与面层温度的均值和梯度的相互关系.基于疲劳损伤等效原则,给出了沥青路面面层疲劳等效温度的计算方法.根据全国95个地区多年的路面温度场数据,对沥青面层疲劳等效温度进行了计算和分析,总结了沥青面层基准疲劳等效温度与地区海拔、路表温度特征值(多年路表温度均值和标准差)之间的回归关系,据此推算得到了全国738个地区的沥青面层基准疲劳等效温度值,并绘制了可供设计采用的全国沥青面层基准疲劳等效温度等值线图,归纳了非基准条件下各因素对沥青面层疲劳等效温度的影响规律,给出了各因素修正计算式.最后通过对比分析,验证了沥青面层疲劳等效温度计算方法和结果的可靠性.     

沥青路面温度场的预估模型

通过对路面温度实测数据和气象部门提供的标准气象资料进行回归分析，建立了沥青路面温度场预估模型．分析了预估模型地区差异的产生原因和解决途径，并引入历年月平均气温作为地区修正系数．路面温度实测值和预测值的对比表明，预估模型具有广泛的适应性和较高的预测精度．     

沥青层反算模量的温度修正系数

采用落锤式弯沉仪(FWD)对上海地区路面结构进行评价,发现沥青层反算模量与沥青层温度间存在较好的指数关系,建立了上海地区道路结构的沥青层反算模量与沥青层温度回归模型,推荐了沥青层反算模量温度修正系数值.将沥青层反算模量温度修正结果与室内外模量测试结果进行对比,结果表明所推荐的温度修正系数具有较高的可靠性.     

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.     

半刚性基层疲劳损伤模型及寿命预估

本文基于临界损伤值DC不等于1的基本假定,借助损伤力学理论建立半刚性基层的疲劳损伤模型,并结合脆性材料S-N关系方程,得出了模型参数C的一个新的函数表达式 。通过疲劳试验对Dc值以及C表达式中的待定系数a、b进行测定,并对多个试件疲劳寿命进行了预估计算。研究结果表明半刚性基层材料Dc值约为0.6,利用本文建立的损伤模型,在当前损伤量仅为0.3至0.5倍临界损伤值时,即可较早地对试件疲劳寿命进行预估,预估结果与试验结果吻合较好。     

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。     

基于动态模量的沥青路面开裂分析

在有限元方法中利用动态模量主曲线和时间-温度位移因子来考虑荷载作用频率和温度对沥青混合料力学性质的影响,采用移动荷载模式,利用断裂力学的方法分析了典型柔性基层沥青路面的开裂机理.研究表明:轮载经过裂缝1次,根据不同工况,可能在裂尖引起1个,2个或3个张开型应力强度因子(KⅠ)峰值.而剪切型应力强度因子(KⅡ)总有2个峰值,且大小相等,方向相反.分析了温度、行车速度及裂缝长度对裂尖应力强度因子及其作用频率的影响.当裂缝较短且温度较低时,裂缝扩展主要由KⅠ引起.随着裂缝长度的增加和温度的升高,KⅡ逐渐成为裂缝扩展的主要因素.     

施工期荷载对半刚性沥青路面结构损伤的影响

半刚性沥青路面早期破坏的因素较多.当前虽采取一定的措施来防止早期破坏的发生,但仍未完全解决早期破坏现象.施工期荷载较重可能在施工过程中对结构产生影响,进而影响结构发生早期破坏;因此研究施工期荷载对结构的影响具有一定的意义.通过壳牌路面设计应力分析软件的计算,研究了施工期荷载对半刚性沥青路面结构损伤的理论影响.