超载条件下混合式基层沥青路面层底拉应力研究

分析半刚性基层的缺点,提出混合式基层沥青路面结构,并给出超载条件下轴载计算参数。采用Bisar3.0软件,计算在完全连续、部分连续和完全光滑三种界面条件下混合式基层沥青路面各结构层层底拉应力。结果表明,在完全连续条件下沥青层不会产生拉应力,路面内部拉应力最大值出现在半刚性基层底部;当沥青层与半刚性基层之间的接触条件由完全连续向完全光滑转变时,沥青层层底和半刚性基层层底的拉应力逐渐增大;在三种界面条件下,沥青面层表面轮隙中心处都出现较大的拉应力。     

级配碎石基层沥青路面非线性力学响应分析

为了明确级配碎石柔性基层沥青路面结构层位功能,就沥青面层厚度、级配碎石基层厚度和模量三个路面结构参数对级配碎石柔性基层沥青路面非线性力学响应进行分析,结果表明：随着面层厚度增大,基层最大剪应力降低,且面层厚度为9cm时面层剪应力最不利,面层厚度为12cm时面层层底拉应力最不利;基层厚度对基层剪应力影响不显著,且当基层厚度为30cm时,面层剪应力、层底拉应力均出现最小值;随着基层模量的增大,面层最大剪应力、层底拉应力和基层最大剪应力均有不同程度降低.     

隧道半刚性基层沥青路面沥青层疲劳开裂影响因素研究

通过建立隧道半刚性基层沥青路面有限元模型, 对隧道内半刚性基层 (预设横向贯通裂缝) 沥青路面沥青层疲劳开裂进行研究, 研究表明对于隧道内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。 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。     

层间接触状态对沥青路面结构力学响应的影响

沥青路面中层间接触状态非常复杂,它对路面的使用性能有直接影响。针对我国当前采用的典型半刚性沥青路面结构,采用GAMES多层弹性体系计算程序,系统分析了层间接触状态对表面弯沉、表面拉应变、面层内剪应力、沥青层底拉应变以及沥青层底剪应力的影响。分析结果表明:层间接触状态的变化对沥青层底的拉应变影响最为显著,其次为基面层间的剪应力,对路表的拉应变和基层底拉应变影响也较为明显;相对而言,路表弯沉、面层内最大剪应力对层间接触状态的变化不敏感。     

柔性基层沥青路面结构设计参数分析

综合分析了国内外柔性基层沥青路面典型结构,采用正交分析方法,讨论了沥青稳定基层厚度、级配碎石基层厚度及土基模量等关键结构参数对路表回弹弯沉、沥青层层底拉应力2个柔性基层沥青路面性能指标的影响。研究表明:土基模量对于路表回弹弯沉的影响最为显著;当沥青层厚度在25 cm以内时,增加沥青层厚度可以减小沥青层底拉应力,延长沥青路面疲劳寿命。     

层间弱结合程度及其范围对沥青面层应力的影响

为了深入研究基-面层层间结合状态对半刚性基层沥青路面反射裂缝的影响,采用Ansys,开展了二维有限元计算。以接触对长度和摩擦系数分别表征层间弱结合范围和结合程度,分析了不同荷载条件下基-面不同层间接触条件对沥青下面层层底拉应力和剪应力的影响,提出了竖向对称荷载、竖向偏载、水平力及温度应力单独作用时适宜的层间结合条件。研究结果表明:竖向对称荷载和水平荷载单独作用或两者联合作用下,基-面层层间结合得越紧密,其弱结合范围越小,对路面结构越有利;竖向偏载和温度应力单独作用或两者联合作用下,基-面层层间结合越弱,对路面结构越有利;除了频繁出现水平力或者水平力较大路段以外,没有必要要求半刚性基层沥青路面的基-面层层间处于完全连续状态,但需要相关试验和工程进行进一步的验证。     

车辆荷载作用下沥青路面力学响应影响分析

为研究车辆荷载作用下沥青路面结构的力学响应,依托实体工程,埋设应力应变传感器,分析轴重、车速等因素对沥青路面动力响应的影响。 研究发现,随着轴重的增加,底基层层底和下基层层底的纵向拉应变均显著增加。建立车辆行驶速度分别为18km/h、36km/h和58km/h时的下面层层底三向应变时程曲线,拟合得到沥青层层底竖向压应变、纵向拉应变与速度的幂函数。结果表明:无机结合料稳定层层底纵向拉应变与行驶速度呈现线性变化关系。     

水平荷载对复合式基层沥青路面力学响应的影响

为深入分析水平荷载对路面结构的影响,以复合式基层沥青路面结构为例,考虑层间不完全连续接触条件,竖向荷载采用重载条件,采用壳牌设计软件BISAR3.0为计算工具,考查水平荷载对复合式基层沥青路面力学响应的影响。结果表明:在层间不连续条件下,水平荷载对结构弯拉应变与弯拉应力分布没有影响,水平荷载作用使结构剪应力骤增、剪应力分布产生较大变化。     

基于路面材料动态模量的沥青路面响应仿真分析

为研究动荷载作用下沥青路面的动态响应,确定沥青路面各层的动态模量参数,建立路面有限元模型,利用荷载步实现动荷载的加载。测试试验模型沥青面层层底的动态响应,将仿真分析结果和试验数据进行对比,验证仿真结果的正确性。研究结果表明:在动荷载作用下基层和底基层的拉应变和弯沉小于静荷载作用;荷载频率超过5 Hz后,频率对弯沉和层底拉应变的影响不大,温度和动荷载对面层层底拉应变的影响较大。     

含碎石化层的沥青加铺路面结构分析

利用ABAQUS有限元软件建立了含碎石化层的沥青加铺路面结构模型,研究土基、旧路基层与碎石化层模量以及碎石化层和加铺层厚度对含碎石化层沥青加铺层路面结构的力学响应的影响,确定碎石化模量的控制范围.结果表明,荷载作用中心点及附近一定区域,沥青加铺层层底受拉;沥青加铺层层底拉应力对土基模量、旧路基层模量、碎石化层厚度不敏感,但当碎石化层模量较小(接近300MPa)或加铺层厚(大于20cm)时层底拉应力均较大,在重载作用下更大.因此碎石化道路必须验算沥青层层底拉应力指标.为使沥青层层底拉应力峰值不至于过大甚至超过容许拉应力,使得受拉区域控制在一定范围以内,同时为降低加铺层竖向剪应力及土基顶面压应变,并达到防治反射裂缝的效果,碎石化层的模量宜控制在500～1000MPa.     

车辆动荷载作用下沥青路面应变动态响应分析

为了研究动荷载作用于路面后的面层和基层层底的拉应变响应,建立了路面三维有限元模型,施加0.7,1.0和1.3 MPa的动荷载,分析了面层层底和基层层底的拉应变大小和时程变化规律,得到主要结论有:沥青路面面层内轮胎荷载边缘处自上而下先出现水平向压应变,然后出现拉应变;在荷载中心下,也有此规律,但拉应变出现的位置更浅,基层上水平方向上全部为拉应变。随着荷载强度的增加,面层和基层内部的拉应变也呈现线性增加,但荷载中心下的应变增加趋势大于荷载边缘处的应变。     

连续配筋混凝土复合式路面受荷响应分析

为研究G1503上海同三段不同类型连续配筋复合式路面结构在标准轴载及不同沥青层厚度下受荷响应特征及力学指标变化规律,进行了大量有限元三维仿真建模分析。研究结果表明,标准轴载作用下连续配筋复合式路面各力学指标明显优于半刚性基层沥青路面;底基层强度及路基处治差异会对路表最大弯沉及沥青层层底拉应力产生明显影响,但沥青层与连续配筋混凝土层的层间剪切力受其影响较小;各项力学指标均受沥青层厚度影响显著,说明对于连续配筋复合式路面结构将沥青层控制在合理范围可有效避免车辙、层间滑移等病害的发生。研究工作可为该种路面结构设计、应用及后续养护维修工作提供数据支撑和理论基础。     

重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

选取不同的典型沥青路面结构,采用动态参数,进行了6个等级的非均布荷载作用下的8种路面结构有限元力学响应计算.结果表明:面层是沥青路面结构受力的最不利位置;在双矩形荷载作用下,沥青层底水平横向拉应力和拉应变最大值位于单轮底部中心偏外的位置;路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关,随荷载增大,路表应力最大值作用点主要在轮缘外缘附近位置出现;路表最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,路表最大剪应力出现在双轮及双轮之间的范围.所得结论可为重载条件下沥青路面设计指标的提出提供理论依据.     

不同结构型式沥青路面路用性能对比研究

开展了柔性基层沥青路面与半刚性基层沥青路面结构力学响应及疲劳寿命的有限元分析,并对实体工程进行了连续3 a的跟踪观测。结果表明:相比于半刚性基层沥青路面,柔性基层沥青路面路表弯沉、沥青层底拉应变、土基顶面压应变更大,早期病害以坑槽和修补为主,通车3 a才出现横向裂缝。     

半柔性路面结构的力学响应分析

通过力学计算分析了半柔性路面在标准荷载及超载作用下的力学响应,结果表明:轮隙中心点下的半刚性基层层底拉应力最大;荷载作用中心点下处的路表弯沉、面层层底拉应变和面层内最大剪应力最大;路表最大弯沉值、面层层底最大拉应变、面层内最大剪应力及半刚性基层底最大拉应力都随着轴载的增加而增大。     

ATB基层的合理模量和厚度范围研究

采用Bisar3.0程序对设置ATB柔性基层的沥青路面结构进行力学响应分析,分析各结构层层底最大拉应力随ATB层厚度和模量的变化趋势。结果表明,上面层、下面层和基层的层底最大拉应力随ATB模量和厚度的增大而增大;中面层的层底最大拉应力随ATB层厚度的增大、模量的降低而增大;底基层的层底最大拉应力随ATB模量和厚度的增大而减小;根据各结构层层底最大拉应力的分析结果和2100万交通轴载作用寿命下的要求,综合推荐ATB层的合理厚度范围为6～14cm、合理模量范围为1000～1400MPa。     

轮载作用下典型沥青路面结构力学行为分析

为分析比较半刚性基层、倒装式和组合式3种典型沥青路面结构受轮载作用的力学行为,依托成德南高速公路沥青路面工程试验段,在与贝克曼梁路表静态弯沉测试值对比的基础上,开展了基于弹性层状体系理论的静力学分析.现场选取3个断面,通过预埋沥青应变计测试了不同轴重、不同车速条件下的车辆移动轮载动力响应.研究结果表明:沥青路面更易出现横向疲劳开裂;倒装式沥青路面面层层底行车方向及横断面方向拉应变峰值分别对应为组合式沥青路面的1.24倍和1.30倍,为半刚性基层沥青路面的2.37倍和2.67倍;路面结构厚度相同的情况下,半刚性基层沥青路面在减少沥青面层本身的疲劳开裂和永久变形方面优势较强,组合式沥青路面与半刚性基层沥青路面受力情况接近,可部分替代半刚性基层沥青路面;倒装式沥青路面轴重敏感度为3种路面结构中最小,但宜适当增加沥青面层或沥青稳定碎石基层厚度以改善其受力状况,并应严格控制沥青稳定碎石基层拉应力,以减少倒装式沥青路面和组合式沥青路面疲劳破坏.     

沥青层底面拉应变的预估及工程应用

现行沥青路面设计规范中沥青层底拉应力是设计指标值之一,但在现场沥青层底拉应力却无法检测.沥青路面弯沉盆的理论研究和分析表明,沥青层底拉应变与不同位置的弯沉之间存在着一定关系.因此,在现场测得路面不同位置的弯沉,即可计算得到沥青层底拉应变.根据沥青层底拉应变可评估沥青层的使用寿命.实例说明该方法简便可行.     

层间状态对沥青路面力学性能与疲劳寿命影响研究

层间结合状态是影响沥青路面力学性能与使用性能的重要因素。鉴于目前我国沥青路面设计规范中层间完全连续且不产生相对滑移假定的缺陷,采用BISAR3.0软件中的简化剪切弹性柔量ALK来描述层间结合状态,并以水平荷载和竖向荷载共同作用作为加载方式,得到相应的沥青路面力学响应,同时对沥青路面疲劳寿命进行预估。结果表明:层间结合状态的退化对沥青层底弯拉应力、弯拉应变与剪应力影响较大,而对路表弯沉影响较小;层间结合的弱化对沥青路面疲劳寿命影响显著。     

层间接触条件对复合式基层路面结构的力学影响

对复合式基层沥青路面在不同层间接触条件下的力学响应分布进行比较和分析,结果表明：当层间接触条件由完全光滑变为完全连续时,复合式基层沥青路面的力学响应分布发生明显变化;相比层间光滑条件,层间连续条件下复合式基层路面具有较明显的力学优势。