七、半刚性基层沥青路面开裂的分析与估计

沥青路面的裂缝产生的原因很多,如静载应力(拉、压、剪应力)超过路面强度,或一次冷缩应力超过路面抗拉强度;更主要的是荷载的重复作用引起疲劳开裂,或温度重复冷缩引起路面温度疲劳破坏。在有接缝(裂缝)的刚性或半刚性基层上的沥青面层     

沙漠区横向隆起路面力学响应数值分析

阿拉善沙漠区沥青混凝土路面因路基硫酸盐盐渍化发生横向隆起病害。根据病害实体特征,利用Abaqus软件建立了路面横向隆起病害3D模型,分析了路面结构层厚度、弹性模量、路基盐胀作用等影响因素下路面结构的力学响应规律,路面结构受力对上述影响因素的参数敏感性及各因素共同作用下路面结构受力的最优及最不利组合。结果表明:路面隆起段中间位置出现最大拉应力和压力,在盐胀作用区域出现较大的应力分布;路面结构力学响应因素中,面层厚度、面层和基层弹性模量对路面隆起病害实体的受力影响显然弱于基层厚度对隆起结构受力的影响;隆起病害实体受力主要受控于基层厚度;面层应力普遍小于基层应力,在面层和基层抗拉强度比较接近的条件下,路基盐胀作用首先导致基层拉裂破坏,然后再发生面层拉裂破坏,即基层要先于面层发生拉裂破坏;基层、面层较厚的路面结构,基层受到的拉应力较小,不易产生基层的拉裂破坏,而基层、面层较薄的路面结构,基层受到的拉应力较大,易于产生基层的拉裂破坏。为了防止沙漠区沥青混凝土路面盐胀引起横向隆起病害,可通过设计优化,科学合理地选择路面结构厚度和模量,有效降低横向隆起引起各结构层的拉应力,避免路面结构进一步引发其他病害。     

按轮迹横向分布状况进行沥青路面维修的做法和效果

使用过程中的沥青路面，除受自然因素及施工因素影响之外，主要受公路上行驶车辆的作用而损坏，车辆的行驶对沥青面层产生弯拉、压、剪切等应力的作用，使得路面产生裂缝、变形、表损三大类型的破坏，其破坏的程度和交通量的大小有直接的关系。交通量大，路面材料受到的轴载重复作用的次数就多，因而路面容易产生疲劳开裂等各种病害，这些病害的防治主要得力于平时对沥青路面的养护和维修。交通量对路面全帽范围的破坏程度是不一样的。不难看到，全帽一起做的沥青面层在使用一段时间后，常常出现路面中间产生的病害很严重，而边侧沥青面层却…     

路面结构厚度对沥青面层疲劳寿命的影响

为了分析路面不同结构层的厚度对沥青面层疲劳寿命的影响,采用有限元分析软件ANSYS对路面结构受力情况进行模拟,并依据课题组对沥青混凝土疲劳寿命的研究成果,对不同路面结构厚度下沥青面层底面的受力情况和疲劳性能进行分析。结果表明:路面面层底面拉应力随路面结构厚度的增加而不断减小,其减小幅度随路面结构层厚度的增加而减小;面层底面应变随路面结构层厚度的增加不断减小,且减小幅度随路面结构层厚度的增加而减小;面层疲劳寿命随路面结构层厚度的增加而增加。     

冻土地区路基融沉变形对沥青路面结构的影响

采用有限元方法建立了路基发生融沉变形时沥青路面结构的轴对称计算模型,将融沉变形分别简化为二次曲线和余弦曲线,分析了融沉变形对最大拉应力点位的影响,重点讨论了融沉盆形状、半径、融沉深度等因素对沥青路面结构面层和基层最大拉应力的影响。结果表明:路基的不均匀融沉变形在路面结构面层顶面产生拉应力,成为面层破坏的主要原因;在基层底面产生较大的附加应力,将会造成基层开裂,因此在多年冻土地区的路面设计中应考虑附加应力的影响。     

面层模量对重载交通沥青路面受力特性及使用寿命的影响分析

面层模量是路面设计的重要力学参数,它的取值将直接影响到路面结构的设计结果及受力特性。应用路面计算程序,系统分析面层模量变化对重载交通沥青路面路表弯沉、基层层底拉应力、底基层层底拉应力以及路面结构疲劳寿命的影响,并阐述其影响规律。结果表明,面层模量对重载交通沥青路面的受力与变形特性及使用寿命具有显著的影响,提高面层模量值将增大面层应力,显著减小路表弯沉值、基层及底基层层底拉应力,进而提高路面的疲劳寿命。     

基于交变载荷下沥青路面使用寿命研究

运用断裂力学的相关理论,结合有限元方法,建立含表面裂缝的沥青路面结构三维有限元模型,计算了表面裂缝尖端的应力强度因子,通过分析裂缝的疲劳扩展来预测沥青路面的使用寿命。研究结果表明:表面裂纹形成初期,水平荷载对路面表面裂缝扩展影响较大。裂纹扩展阶段,张开型破坏占裂纹扩展的主导作用;增加面层厚度能有效抑制沥青路层裂缝的扩展;面层厚度增加,基层厚度增加,基层模量增大,面层模量降低,沥青路面疲劳寿命增速越大,疲劳寿命越长,但基层模量增加过大,易导致路面干缩开裂。     

沥青路面路基结构组合优化力学数值探析

采用ABAQUS建立了沥青路面结构的三维有限元模型,对典型沥青路面的动力学特征进行了模拟计算,通过分析路面结构动力响应量和结构参数的关系,获得了两者的正负相关性,并提出了改善路面结构受力状态的有效途径。研究结果表明:面层模量一定时,随基层模量的增加,路表弯沉下降,半刚性路面和组合式路面基层层底应力增加;当基层模量一定时,随面层模量的增加,半刚性路面路表弯沉的变化较小,倒桩式路面和组合式路面路表弯沉变化明显,且组合式路面的基层层底应力明显提高;随基层模量增大,半刚性路面收底基层层底应力变化显著,受面层模量影响较小;当面层模量达到2 000 MPa后,基层模量对倒桩式路面底基层层底应力影响可忽略;面层模量较高时,基层模量和面层模量的增加,组合式路面的底基层底应力减小;随基层厚度的增加,路面各力学响应指标逐渐减小,基层厚度大于40 cm时,通过增加基层厚度来改善路面疲劳开裂效果减弱;基层厚度小于20 cm时,底基层的弯拉应力较大,路面基层为主承重层,承担较大的荷载作用,因而可通过提高基层厚度来抑制弯拉破坏,改善基层受力。     

基于沥青路面结构层疲劳寿命的路面结构层模量组合研究

考虑路面各结构层不同的模量组合,建立不同路面结构的有限元模型,分析基层模量和底基层模量对于沥青面层层底拉应力和底基层层底拉应力的影响规律,并通过沥青路面抗疲劳开裂的经验公式,预测不同路面结构组合的沥青路面疲劳寿命,分别对沥青面层和基层合理的模量组合,以及底基层和路基模量匹配进行研究.结果表明:当面层与基层模量比值(E面层/E基层)小于1.8时,沥青面层疲劳寿命随E面层/E基层的增加迅速降低,E面层/E基层大于1.8时,面层疲劳寿命随E面层/E基层的增加缓慢降低,疲劳寿命预测值降为2.3万～160万轴次;底基层模量和路基模量比值(E底基/E路基)较低时,底基层疲劳寿命随E底基/E路基的增加迅速降低,E底基/E路基大于20∶1时,底基层疲劳寿命缓慢降低,疲劳寿命的预测值已经降低到200万标准轴载作用次数以下;通过考虑E面层/E基层和E底基/E路基的路面疲劳寿命等值线图,可以确定路面设计疲劳寿命对应的E面层/E基层和E底层基基/E路基的合理取值.     

随机荷载作用下沥青路面应力应变分析

应用有限元软件ABAQUS建立轮胎/路面结构模型,研究轮胎与路面的接触印迹及随机荷载下沥青路面三维结构应力、应变变化特征。结果表明:沥青路面竖向、横向、纵向应力应变随荷载的非线性增加而非线性增加,随路面深度增加应力应变逐渐减小,在沥青路面的上面层和中面层出现应力应变集中现象。在荷载作用分析点,竖向、横向及纵向应力最大应力值出现在上面层,竖向应力最大,横向应力次之,纵向应力最小;竖向和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,纵向方向反复的拉压变形,可能是导致路面轮迹带材料产生疲劳损坏的原因。沥青路面结构应力应变受温度变化、荷载等多种因素影响,残余应变恢复时间延迟体现沥青材料的黏弹性特征。     

耐久性基层沥青路面结构比选研究

以某新建公路工程为背景,运用ABAQUS软件建立路面结构三维模型,针对工程初步设计供选的三种耐久性基层沥青路面结构进行力学响应和疲劳寿命对比分析,得出以下结论:①RCC基层、加强型半刚性基层路面结构的路表弯沉峰值较于倒装式半刚性基层路面要小,故该路面结构的承载能力更优;②RCC基层、加强型半刚性基层和倒装式半刚性基层路面结构的沥青层层底拉应变差距较小,故均具有良好的抗疲劳损伤性能和使用性能;③倒装式半刚性基层路面结构的沥青下面层层底拉应力峰值较小,故抗拉开裂性能较优;④RCC基层沥青路面结构的半刚性基层和底基层的层底拉应力以及疲劳寿命较于其余两种路面结构要小,故RCC基层沥青路面结构的抗疲劳能力、抗拉压性能较优;⑤三种路面结构中RCC基层的各项性能较优,故工程路面结构推荐RCC基层。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性及应力状态演变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及二次开发平台,建立考虑路面材料线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,但增加幅度逐渐减小;双轮中心线下靠近层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,但减小的幅度逐渐趋缓。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。     

考虑半刚性结构层横向贯通裂缝的沥青路面疲劳特性分析

采用有限元计算分析在无横向裂缝和有横向贯通裂缝两种工况条件下沥青路面的弯沉、沥青层最大拉应力和最大剪应力、半刚性层最大拉应力以及计算疲劳寿命,分析结果表明,考虑半刚性层存在横向贯通裂缝时,内部应力增加且计算疲劳寿命将大为降低。在提出高速公路沥青路面结构必要时应考虑存在裂缝的工况下进行验算。     

基层模量对沥青路面力学性能的影响分析

沥青路面的基层材料种类繁多，模量变化范围很大，而基层模量对路面结构力学有重要的影响。选取3种典型的路面结构，选用4种实测轮胎接地荷载，建立三维有限元路面结构模型，分析基层模量变化时的力学响应。结果显示，基层模量的增加对路面使用寿命有2种不同的影响趋势，一方面可以减少沥青层层底弯拉应变，从而增加沥青路面的疲劳寿命；另一方面，表面层最大剪应力呈明显的增大趋势，容易产生路表面局部早期损坏。在此基础上，给出基层模量的合理范围建议值。最后，提出增加一个抗剪指标以控制基层的模量。     

含半柔性水泥乳化沥青加铺层的路面结构承载力和疲劳寿命研究

在对比分析国内外旧水泥混凝土路面加铺补强结构形式的基础上,分析了半柔性水泥乳化沥青加铺层、沥青面层、旧水泥混凝土路面对不同路面结构承载力、疲劳寿命的影响。计算结果表明:在旧水泥混凝土路面破损不是很严重的情况下,两种路面结构的半柔性水泥乳化沥青加铺层、沥青面层均满足路面结构承载力和疲劳寿命指标要求,但考虑综合受力和建造成本因素,宜优先选用结构A,即加铺一层半柔性水泥乳化沥青混合料层和一层沥青混合料面层;当旧路面当量回弹模量相同时,增加沥青层厚度可有效减少各结构层层底拉应力,但在满足承载力和疲劳性能的前提下,并不是沥青层越厚越好。     

沥青混合料抗拉性能试验研究及力学特性分析

沥青混合料的抗拉性能是表征其低温与疲劳性能的重要指标。本文针对半圆弯曲试验(SCB)与劈裂试验(IDT)建立三维非线性有限元模型,对两种试验方法的受力特点与破坏模式进行数值模拟,并利用室内试验进行验证。结果表明:两试验中试件的力学响应规律明显不同;半圆弯曲试验试件主要承受拉应力,劈裂试验试件内出现压缩、拉伸、剪切多种受力模式交织现象;非轴对称受力时,劈裂试件的应力响应更为复杂,不能充分体现间接拉伸的目的。相比较而言,半圆弯曲试验更能模拟沥青混凝土路面的层底受拉状况。     

路基回弹模量对沥青路面结构受力的影响

针对不同的路基回弹模量,采用BISAR3.0路面应力计算程序,分析了路表弯沉、面层内剪应力与压应力、基层底拉应力等沥青路面结构受力参数伴随路基回弹模量变化的趋势。分析结果表明:路基回弹模量对路表弯沉和基层底拉应力影响比较大,对面层剪应力和压应力影响较小,较高的路基回弹模量可有效提高路面的结构承载力和疲劳寿命,改善路面使用性能。     

结构参数对沥青路面结构设计的影响分析

应用现行设计规范提出的公路沥青路面结构厚度计算理论和方法,通过实例计算,分析了路面结构厚度随设计弯沉、土基模量的变化关系,分析了土基模量、半刚性基层厚度对路面各结构层层底拉应力的影响,得出通常情况下会以底基层层底拉应力控制结构厚度设计,以及提高土基模量、增加半刚性层厚度可以减小（底）基层层底拉应力从而减少疲劳开裂的结论。     

沥青路面Top-Down开裂成因的有限元分析

源于路表面的轮迹带附近的纵向开裂(Top-Down开裂)是重交通沥青路面的主要损坏类型之一,也是国际沥青路面工程界对道路损坏研究的新热点。为此在实测轮胎接地压力的基础上,建立了路面结构的三维有限元模型,计算出4条实际道路的最大拉、剪应力值及其位置,绘制了它们的等值线图。对最大拉、剪应力位置与开裂现象,最大应力值与应力强度进行了比较和分析。分析结果表明,轮载下强大的剪应力是造成Top-Down开裂的主要原因。     

滨州黄河公路大桥桥面铺装设计与施工

将桥面板、横隔板、直腹板和沥青混合料铺装层作为统一的力学分析模型,采用三维有限元法对桥面铺装的铺装层内部拉应力、层间剪应力以及其表面的最大竖向位移进行计算,分析滨州黄河公路大桥桥面铺装体系的力学特性和应力变化规律,模型分析结果表明:防水结合层对于桥面铺装最为重要,在沥青混合料中加入增强纤维能显著增加结构的疲劳寿命,并对疲劳寿命最长的组合提出了建议。