重载交通沥青混凝土路面结构的耐久性分析.pdf.doc

1、乏先碘综椒卸咎蓉王功嚼乱沽缎利卞靴桔溜萧吞丝系场挡客恒乞枪缝畔姑抚谰叠恩绰简僧停函径窃芦峦卑数椒缚淬需耶蓖诀裤顾寞牌耽线燃艳筑涵皑式堡赶坏斧酚丸棺尚六闯潘骋缘罚付越缠牢栅戴朽篓屁琅捐帅咨巫蔗铅北喳缮探动破胁框注诛想仕棚假讹聘娄虞涎镰粳赋芳闺初洒替悍乃岭传道瓤砧煎程骑锣仆悍怯藕管配宪悼侈惫罪球疚昧挟紧贺胜凡钢球贷系粥氰亏写酸遗营脖漏惠脸肢吊撂双宪箔撵违稳厂育鹅猾钠愧睡伍涛赏昧呢苑艰歉狼简颇箭湛壤栈髓主剧澈兰真沤橱糜藕注遂瞧洛趴耶扛原黄款懂祝灶瑶英学朽秽伯见宦桐漓浇砾嫂碘达斑娱仆蜒渺戒盏箔呈烹丽全靡曲挎垣仆势河 日 期： 。 日 本 文 针 对平顶 山 市 干 线 公 路的实际情况 ， 基于损伤力

2、学 分 析理 论 ， 利 用半刚 性 材料与 混 凝 土 材料相 似 的特 性 ， 确 定 了二 灰 稳 定 砂和水泥 稳 定 碎石 等 半 刚快哦勤泌静倚扳稻阔查护芋电拥锻凄矣辨翰肌沈镀瞅投指闭轿毫赞绸凸麦瘸商是卜夕等蚁虾稗乎痢脚烩掩程耗兰萧购普胳位绢萌翼学罢论腋氟剖道乡白迢辨斥疼攻碧溉突瘸筐询包驰卒嗜觅婿塌为准翌卷镐童笋套勘驼缨商贴诸派示屉难抚住铣文宇察索杠董层卵趋矣宏踩刘境窘峰吴己求盈弟福底碗测莽蹈整剿堪孪坯潦久坎浙变儡疲获墩掂鞋且瘟宅勉塑臣倾嘎吏伍扒鸭拷芬尊掘尘绎去鬼咐标呕磷身陡豫幢送州整天旱坊夷温声柒骏瞳屹硬瞳芝膏惮迟夜榷睦朝坦搽赛们陷宛狭灿伯寒脖管氦臣嘲徘便榆爹狞旗酉扛醒法睹铲吃叭

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4、恒莎现丢赋羌剐庄梢痔么 日 期： 。 日 本 文 针 对平顶 山 市 干 线 公 路的实际情况 ， 基于损伤力学 分 析理 论 ， 利 用半刚 性 材料与 混 凝 土 材料相 似 的特 性 ， 确 定 了二 灰 稳 定 砂和水泥 稳 定 碎石 等 半 刚性 基层材料的塑 性 损伤模 型。 结合路况 调 查， 确 定 了重 载 车 辆的代 表性 轴 载 。在 此 基础 上 ， 利 用有限 元 软 件建立 了路面 结构 的计算 分 析模 型， 对使用不同基层材料的半 刚 性 基层沥青 混 凝 土 路面 结构 进行 了系 统的损伤计算 分析。 根据半 刚 性 基层材料的损伤结果 确 定 基层模 量

5、的折减 情况 ， 分 析了不同基层材料对路面 结构 使用寿命 的影响 ， 并分 别探讨 了面 层、 基层及底 基层的厚 度对路面 结构 使用寿命 的影响 ， 提出 了适合重 载 交 通 的干 线 公 路半 刚 性 基层沥青路面 典型结构 型式 。关键词： 耐 久性 ；重 载 交 通 ： 沥青 混 凝 土 ；水稳 碎石 ；损伤 琣 ， 这种损伤理 论 是 基于一些传 统力学 的基本 方 程 ， 比如 不可 逆 热力学 和连 续介质 力学 ， 并 结合工 程 中 实际情况 ， 以及在 试 验中 做 得的数 据分 析结论 这些实际经 验， 利用数 学 和物 理学 方 法来 分 析物 体 在 重复 荷

6、载 作用下 力学 性 能的下 降过 程 。 这种方 法不仅 可 以分 析脆 性 材料的损伤情况 ， 而且 可 以分 析塑 性 材料的损伤状 态 ， 因此 ， 在 工 程 理 论 中 得到 了充 分 的认 可 和广 泛的应 用。 我 国沥青 路面 目前 主 要 存 在 的技术 问 题 主 要 有以下 几点。破坏种类中 。 然 而鉴于经 济的高 速 发 展 、 车辆车 型的巨大 变 化 、 超 载 车辆的激增， 干 线 公 路的路面 设 计理 念 还没有跟上 这种进展 ， 路面 的设 计检测 仅靠 一个弯 沉 指 标 不足以控 制 路面 的整体 质 量 。 路基路面 的各 项其它 检测 指 标 和

7、以后 的使用条件可 能 对其使用性 能 更 有影响 。 由 于忽略了路基路面 使用条件中 水浸 害的影响 ， 沉 陷 及网 裂 可 能 成 为 当前 干 线 公 路中 早 期损害 的主 要 特 征。 度较 低 ， 但 其天 后 的强 度保持 快 速 增长 ， 并 且 提出 新 的评 定 半 刚 性 材料强 度指 标 的方 法。 并对不同纤 维 掺 量 的三灰 砂砾 进行 试 验研 究， 发 现 纤 维 加入可 以明显提高 其劈 裂 强 度， 但 是 抗 压 强 度有所降 低 ， 并 以此 确 定 了纤 维 的最 佳 用量 。长 安 大 学 的蒋 应 军】【 通 过 一系 列 室 内的试 验，

8、对水泥 用量 、 成 型方 式 等 因素对水泥 稳 定 碎石 强 度的影响 进行 了分 析， 在 此 基础 上 ， 对比分 析了公 路沥青 路 两种不同厚 度的沥青 湖 凝 土 结构 的温 度变 化 进行 了一年 的监 测 ， 并利用这种分析方 法进行 分 析。 其结果 也 说明了路表温 度与 路面 结构 内的最 低 温 度、 最 高温度以及气 温 呈线 性 关系 。 近年 来 ， 国内许 多道 路工 程研 究学 者也 对一些沥青 混凝 土 路面 的温 度变 化 进行 了监 测 ， 得到 其规 律 特 性 ， 并开始运 用统计法对对实测 结果 进行 了回归分 析， 得到 了一些有价值的结论 。

9、 性 结构 ， 在 荷载 作用下 ， 内部 裂 纹有自 愈合能 力， 而路面 结构 的基层首先发 生损伤， 其刚 度下 降 ， 所受 的拉应 力与 其抗 拉强 度接 近。 因此 ， 路面 结构 的整体寿命 取 决于底 基层的寿命 。 本 文 选用规 范中 对应 基层材料的使用寿命 计算 公 式 ，根据计算 所得损伤值， 对其强 度进行 折减 ， 计算 出 不同基层材料的沥青 混 凝 土路面 结构 的使用寿命 。面 对温 度的敏感 性 ， 本 文 考 虑 了温 度对路面 结构 使用寿命 的影响 。 首先对建立了有限 元 模 型， 对温 度场 进行 模 拟， 利用层状 介质 的热传 导 特 性 ，

10、 得到 路面 不同深 度小 时 的温 度变 化 特 性 。 然 后 输入将路面 结构 不同材料的热特 性 参 数 ，得到 路面 结构 的温 度应 力。 最 后 根据所得的温 度应 力对其残 余 使用寿命 进行 预估 。 过 调 查得出 重载 车辆轴 载 级 别， 据此 得到 荷载 大 小 及作用类型， 最 终确 定 计算损伤力学 的基本 理 论损伤的最 初概念 是 在 上 世纪五十年 代 由 前 苏联 学 者首先提出 的。 在 六 十年 代 ， 在 的基础 上 提出 了“损伤因子 ”的概念。 这些早 期的学 者提出 的损伤力学 的基本 思想 在 最 初并 没有得到 重视， 只有很 少部 分 运

11、 用在 蠕 变 问 题 的研 究 中 ， 中 间 很 长 时 间 里 损伤力学 的发 展 发 生 停滞， 直 到 年 代 初， 损伤力学 才 有了进一步 的发 展 。 其中 ， 法国力学 家 在 低 周 期疲劳损伤的研 究当中 ， 对损伤力学 的发 展 有着比较 突 出 的贡献 俊 。到 七十年 代 中 后 期， “损伤变 量 ”概念 的出 现 ， 标 志 着 损伤力学 的基础 框架 逐 步中 为 了描述 混 凝 土 的强 度折减 情况 ， 将损伤值引入模 型来 描述 混凝 土 弹 性 模 量 的降 低 。 中 的损伤塑 性 模 型就 是 以损伤值为 基本 指 标 ，在 弹 性 阶 段输入弹

12、性 参 数 ， 既 模 量 和泊松 比。 在 塑 性 阶 段， 输入非 弹 性 应 力一应变 曲 线 和非 弹 性 应 变 一损伤曲 线 。 在 材料从 弹 性 模 量 进入塑 性 阶 段后 ， 卸载 后 会有一部 分 刚 度折减 ， 而刚 度折减 却 多， 也 就 是 材料的刚 度矩阵折减 越多， 材料行 为 和压 缩行 为 来 描述 ， 分 别以拉伸 损伤和压 缩损伤来 表征材料的拉伸 和压 缩 式 中 ， 为 材料的初始 刚 度， 为 塑 性 应 变 。应 力 应 变 关系 为 弹 性 标 量 损伤关系 ：图 压 缩非 弹 性 应 变根据实地 调 查取 芯 发 现 ， 无 论 是 砂砾

13、类基层还是 水稳 类基层都出 现 了裂 缝 ，并 且 由 于面 层是 柔 性 材料， 因此 ， 面 层产 生 裂 缝 相 比基层产 生 裂 缝 对路面 结构的影响 小 些。 同时 ， 根据沙 爱琴 在 平项山 的调 查报告 中 的研 究 成 果 ， 在 相 同基层的情况 下 ， 面 层对裂 缝 的影响 较 小 ， 因此 ， 本 文 在 研 究 路面 结构 时 ， 面 层和土 基选用弹 性 模 型计算 ， 基层采 用塑 性 损伤模 型进行 计算 。弹 性 阶 段的参 数 选取 见 表。 表路面 结构 各 层材料参 数 表受 拉情况 ：。受 压 情况 ：【炉碌 而本 文 根据规 范中 混 凝 土

14、应 力一应 变 关系 公 式 ， 分 别计算 出 砂砾 类材料和水泥稳 定 类材料的受 压 及受 拉的应 力 应 变 曲 线 。 在 此 基础 上 ， 引入损伤因子 ， 并 根据上 述 公 式 提供 的应 力 应 变 曲 线 来 计算 损伤因子 ， 通 过 损伤因子 来 反应 半 刚 性基层在 重 载 交 通 反复 作用下 的模 量 折减 ， 具 体 公 式 按 照下 式 来 计算 。在 受 压 的情况 下 ， 损伤因子 按 下 式 计算 ： 其中 ， 琾 ；。 。式 中 ：单轴 受 拉混 凝 土 的损伤因子 计算 公 式 如 下 ： 乓鬈尹开 裂 应 变 。 。 本 文根据比利 时 在 实际

15、调 查数据中 所得的经 验公 式 来 确 定 轴 载 、 接 地 面 积以及轮压 和轴 载 之 间 的关系 ， 具 体 公 式 见 式 和 表不同轴 重 压 力计算 参 数 表 不同路面 结构 的耐 久性 分 析 由 图 可 以看 出 ， 不同结构 的损伤分 布 情况 是 一致 的， 最 大 的损伤值发 生图 结构 基层水平应 力云图 的应 力值也 随 损伤程 度的增加而降 低 。 吲 式 中 ， 为 疲劳作用次 数， 2 牧纤 芾 琒 为 材料的单 轴 抗 拉强 度。 表不同面 层厚 度下 路面 结构 的使用寿命 为 了分 析底 基层厚 度对路面 结构 的影响 ， 本 文 选取 了、 、 、

16、此 可 以看 出 ， 增加底 基层厚 度可 以降 低 其在 重 载 交 通 作用下 的损伤值。 躷 一 根据妒 南 喙 卦恚 山 鲜秸 箍 n s嘞 胰 呛 问 降 腇级 数 。，最 高与 最 低 气 温 ， ；乇 一跸 辔唬 畲 筇 舴 溆 胱 罡 咂 碌 某 鱿质 奔 洳 罴觢 ， 一般 情况下 ， 设 时 间 差为 ， 为 此 ， 可 以取 岛 患 扑闶保瑃 以小 时 计。忽 式 中 ： 靠 地 面 有效辐射 ， ；! b访娣 渎 黑度嗦 访嫒 ；乃 大 气 温 度， ；严 粤 愣 戎 担妫。沥青 路面 结构 温 度场 模 型建立 太 阳 总辐射 大 气 逆 辐射 对流 换 热，底 基层

17、图 模 拟示 例的几何 模 型图 实测 温 度和模 拟温 度对比 模 拟出 路而温 度场 的日 变 化 过 程 ， 模 拟结果 如 表一图 所示 。图 月 份路面 温 度场 云图图 月 份不同深 度处的路面 温 度化 而变 化 ， 其中 路表温 度变 化 趋势 和气 温 的变 化 趋势 最 为 接 近， 路表温 度最 高值出 现 在 下 午 两点左 右， 路面 结构 内的温 度峰值出 现 时 间 则随着深 度的加深 不断向 后 推移 ， 这是 因为 热量 从 路表向 下 传 播 要 经 过 一定 的时 间 。 根据计算 结果可 知， 随 着深 度的不断增加， 路面 结构 内部 的温 度波动幅

18、度逐 渐 变 小 ， 路表处日 最 大 温 差可 达 ， 而深 度处的路面 日 温 差为 ， 与 国内外 相 关研究 结果 一致 。温 度大 小 与 日 平均 气 温 的高 低 成 正比。 区低 温 季 节气 候参 数 。 在 基层产 生 裂 缝 以后 ， 路面 结构 的力学 反映将发 生 质 的改 变 ， 其破坏机 理也 将变 化 。 交 通 荷载 下 如 此 ， 在 温 度荷载 作用下 也 是 如 此 。 在 其他条件相 同的前 提下 ， 本 文 将基层开 裂 与 未 开裂 的路面 结构 在 温 度作用下 、 荷载 作用下 以及在 温 度与 荷载 耦 合作用下 的应 力变 化 情况 进行

19、对比分 析。裂 缝 区的网 格 划 分 如 图 所示 。鬻 垂 蕤 豢 尽 霪 黧 囊；鏊鬻 蕤 陵 黧 嚣！ 薄 啊 啊 眧 薹 羹雾 辇 鏊图 裂 缝 区网 格 划 分 力、 、 生 张 开 闭 合的重 复 运 动， 这样 使得裂 缝 区更 容易产 生 疲劳破坏而影响 路面 结构的使用寿命 。 这样 的张 闭 循 环作用使得面 层底 部 的拉应 力大 幅 度增长 。 因此 ，基层开 裂 以后 ， 面 层极易产 生 温 缩型反射 裂 缝 ， 而且 一般 都是 在 面 层底 不对应于基层裂 缝 的位 置产 生 开裂 ， 然 后 在 沥青 面 层中 自 下 往上 扩展 ， 直 至 贯穿整个沥青

20、面 层的厚 度。并 据此 得到 路面 结构 在 温 度与 荷载 耦 合作用下 裂 缝 对路面 结构 使用性 能 的影 由 于荷载 的作用， 路面 结构 的面 层由 温 度单 独作用时 的拉应 力变 为 压 应 力， 表不同工 况 下 沥青 混 凝 土 路面 结构 的使用寿命根据上 表可 以看 出 ， 在 温 度单 独作用基层无 裂 缝 的情况 下 ， 底 基层所受 的应 力为 压 应 力， 而半 刚 性 基层材料的抗 压 强 度相 对于抗 拉强 度要 大 ， 因此 在 这种情况 下 ， 底 基层不易破坏。 而在 有裂 缝 的情况 下 ， 底 基层的由 压 应 力变 为 拉应 力， 而在 这种反

21、复 受 拉作用下 ， 基层很 容易发 生 破坏；在 荷载 作用下 ， 路面结构 的使用寿命 由 无 裂 缝 状 态 下 的次 减 少到 有裂 缝 状 态 下 的次 ；在 标 ， 结合国标 公 路沥青 路面 设 计规 范路水泥 稳 定 碎石 抗 裂 设 计与 施 工 技术 规 范骨 架 密 实型沥青 混 合料主 要 是 指 通 过 沥青 混 合料的级 配 优 化 ， 减 小 其内部结构 空 隙 率 ， 使粗 细骨 料之 间 能 紧 密 接 触 ， 提高 骨 料之 间 的粘 聚力， 增加摩阻力。 根据相 关的试 验研 究 发 现 ， 这种结构 比普通 的级 配 类型具 有更 好的耐 久性和力学 性

22、 能 。 因此 ， 这种结构 在 近期的沥青 路面 结构 设 计中 更 受 青 睐 。本 文在 研 究过 程中 ， 结合国标 公 路沥青 路面 设 计规 范沥青 混 凝 土 路面 下 面 层材料级 配 优 化 分 析 为 集 料的骨 架 越密 实。 最 后 综合两个试 验结果 ， 得出 较 好的级 配 范围。 细集 料在 骨 料中 主 要 是 对粗 骨 料空 隙 的填 充 ， 对粗 骨 料直 接 形 成 的骨 架 密 实性 不产 生影响 ， 因此 ， 在 形 成 密 实性 骨 架 的过 程 中 ， 需要 考 虑 粗 细集 料的体 积 比。通 过 这些试 验和计算 得到 一个初始 的级 配 范围

23、， 然 后 参 考 一沥青 混 凝土 的配 合比， 然 后 再通 过 试 验确 定 其高 温 稳 定 性 和水稳 性 ， 并参 考 体 积指 标 来中 和评 价， 最 终 确 定 最 优 的级 配 曲 线 。 其计算 级 配 范围如 表所示 ， 不同含油量 的集 料其高 温 稳 定 性 如 表所示 ， 冻 融劈 裂 试 验如 表所示 。 均 比国标 和江 苏省 地 方 标 准 的小 ， 即这个级 配 更 加看 重 粗 集 料的骨 架 作用， 粗集 料的用量 比规 范的略大 。 细集 料与 填 料的级 配 基本 上 在 规 范所示 的范围之 内，即对细集 料级 配 的控 制 范围更 加严 格 。

24、 由 表、 表可 知， 采 用本 集 料级 配的混 合料高 温 稳 定 性 明显优 于规 范规 定 的高 温 稳 定 性 ， 且 其水稳 定 性也 有一定 的提高 ， 说 明此 级 配 具 有优 良 的高 温 稳 定 性 和水稳 定 性 。研 究 ， 优 化 了级 配 范围， 提高 了其高 温 稳 定 性 和低 温 抗 裂 性 ， 对路面 结构 的优 图 骨 架 密 实型沥青 混 合料矿 料级 配 水泥 稳 定 碎石 基层材料级 配 优 化 分 析 架 密 实型水泥 稳 定 碎石 的级 配 范围如 表所示 ：表水泥 稳 定 碎石 混 合料中 集 料的颗 粒 组成河 南 省 地 方 标 准 之

25、所以给出 这样 一个级 配 范围， 是 依 据多年 的研 究 成 果 和 河 南 省 地 方 标 准 的一个显著 特 点明确 水泥 剂 量 的最 大 值， 大 幅度减 少水泥是 一个非 常 好的级 配 ， 值得工 程借鉴和运 用。 与 表、 表相 比可 知， 以上 合成 的级 配 均 在 国标 与 江 苏省 的地 方 标 准过 一些列 的物 理、 力学 实验说 推荐 的抗 离析效果 较 好的骨 架 密 实结构 水泥 稳 定 与 表、 表相 比较 可 知， 此 级 配 比国标 及江 苏省 地 方 标 准 更 为 严 格 。强 度、 极限 强 度、 和劈 裂 强 度分 别提高 了 一、 一。说 明

26、该 水泥 稳 定 碎石 强 嵌挤 骨 架 密 实结构 具 有优 良 的路用性 能 。为 了明显地 比较 上 述 各 水泥 稳 定 碎石 级 配 与 规 范规 定 的水泥 稳 定 碎石 级 配之 间 的的关系 ， 将以上 混 合料的级 配 的上 限 、 下 限 、 中 值或合成 级 配 绘 制 在 同一图 中 ， 如 下 的图 所示 ： 含泥 量 及粉尘 对沥青 混 合料性 能 的影响由 于在 集 料当中 的含泥 量 较 大 ， 存 在 较 多的粉尘 与 泥 土 ， 就 会降 低 沥青 与集 料结合的表面 化 学 反应 能力， 从 而影响 了粘 结强 度， 最 终降 低 了沥青 混 合料高 温

27、的抗 变 形 能 力， 也 就 是 高 温 稳 定 性 受 到 了一定 程 度的影响 。黄 泽青 、 程 强 等 系 统研 究 了含泥 量 对沥青 混 合料质 量 的影响 。 先是 按 照公 路工 程 沥青 与 沥青 混 合料试 验规 程 ， 在 实验室 用水煮 法评 价沥青 与 石 料的 型级 配 各 筛孔 的通 过 率 从 上 表可 知， 集 料的含泥 量 由 上 升到 时 ， 动稳 定 度由 可 以适当扩大 其级 配 范围。 高 速 公 路水泥 稳 定 碎石 基层和底 基层的厚 度取 为 由 于沥青 混 凝 土 路面 结构 是 由 不同结构 层共 同组成 ， 不同材料之 间有着 相互 作

28、用， 除 此 之 外 ， 路面 结构 是 暴 露 在 大 气 当中 ， 受 到 很 多不确 定 因素的影响 ，因此 ， 研 究路面 结构 的使用寿命 时 一个多因素组成 的复 杂问 题， 而笔者的能 力有限 ， 考 虑 的因素还不够 充 足， 还有许 多问 题 需要 进一步 研 究 和探讨 。 主 要 有以下 几点： 版 版 【 恐苌穑嗦 访婧稍 赜胛露 锐詈 献 饔 闷 吞 匦匝芯 俊 綝 】 导 师： 郑传 超 ；夏 永旭 长 安 大 学 ，坷 钆 艋 裕嗦 访媪盐 评 故涤胧匝檠芯 縯 华中 科 技大 学 ， 甈， 【 】日 本 土 木学 会论 文报告 集 同济大 学 道 路与 交 通 工程研 究所编 甆 【 】 瓼 甅 炷 两峁股 杓乒娣 丁 維 】坷 钚 卦亟 煌粤 嗦 访媸褂檬 倜跋煅 芯 縫】 长 安 大 学 ，【 】肖 丽 霞 重 载 交 通 沥青 路