半刚性基层沥青路面-路基协调设计

基于大型通用有限元软件ABAQUS,建立两种典型半刚性基层沥青路面结构的三维有限元模型,针对3种路基高度和4种路基回弹模量,计算半波正弦荷载作用下路面结构的动态响应,结合半刚性路面各结构层疲劳寿命预估方程,分析路面结构疲劳寿命随路基回弹模量变化的规律和相互协调问题。结合交通等级标准,确定满足不同交通等级的临界路基模量。分析表明:路基模量对沥青层疲劳寿命影响较小,对半刚性基层和永久变形预估寿命影响较大;路基高度对半刚性基层路面各结构层疲劳寿命的影响均较小,尤其是对沥青层疲劳寿命影响更小;具有柔性底基层的半刚性路面结构的临界路基模量比具有半刚性底基层的路面结构大。     

基于路基动态回弹模量的水泥混凝土路面动力响应分析

路基回弹模量是路面结构设计的重要参数,为切实体现路基土回弹模量的应力相关性,克服简化的线弹性当量回弹模量带来的偏差。研究采用综合考虑体应力和八面体剪应力影响的动态回弹模量模型。基于广义胡克定律,从理论上严格推导了该动态回弹模量模型在三维应力状态下的精确一致切线刚度矩阵。通过编写用户自定义材料子程序(UMAT)将动态回弹模量模型移植到ABAQUS中,成功实现了应用动态回弹模量进行结构分析。通过建立应用动态回弹模量本构模型的典型水泥混凝土路基路面结构三维有限元模型,全面研究了载荷对路基路面动力响应的影响,分析了不同行车速度、不同轴重和轴型下路基路面变形特征和应力分布规律。同时确定了车轮与路面共振时的行车速度和重载交通条件下路基工作区深度,研究成果为实际的路基路面设计提供了参考。     

路基回弹模量对沥青路面设计参数的影响

路基回弹模量是影响路面整体结构强度的重要因素,采用BISAR3.0路面应力计算程序,分析了路表弯沉、基层底面拉应力、面层剪应力等沥青路面设计参数伴随路基回弹模量变化的趋势。分析结果表明:随着路基回弹模量的增加,路面结构层的力学性能得到明显的改善,路面的理论疲劳寿命也大为提高。     

复合式路面疲劳裂纹扩展数值模拟研究

基于虚拟裂纹闭合法(VCCT)以及广义Paris公式,对隧道复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命进行研究.首先对现有的虚拟裂纹闭合法进行改进,编写出能够模拟复合式路面疲劳裂纹扩展的子程序UEL;采用有限元软件Abaqus对子程序UEL进行调用,计算出路面结构的能量释放率以及应力强度因子,结合广义Paris公式求得其疲劳裂纹扩展寿命.改进的虚拟裂纹闭合法能以一个模型计算出多种裂纹长度对应的能量释放率,很大程度上降低了计算代价;数值模拟结果表明:Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展长度的增加而增大;Ⅱ型应力强度因子KⅡ随着裂纹长度增加先呈递减趋势,然后递增;有效应力强度因子K eff与Ⅱ型应力强度因子KⅡ的变化规律大致相同.还利用改进后的虚拟裂纹闭合法研究了上下面层模量、混凝土层模量以及超载对疲劳裂纹扩展寿命的影响.结果表明:超载系数的增大会使复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命显著降低;疲劳裂纹扩展寿命会随着上下面层模量的增大而递增,并与上下面层模量呈近似线性关系;疲劳裂纹扩展寿命也会随着混凝土层模量的增大而递增,但递增速率会逐渐变缓.对路面疲劳寿命影响大小的次序为:超载系数>混凝土模量>下面层模量>上面层模量.研究结果对复合式路面的结构设计具有一定的参考价值.     

土基模量对水泥混凝土路面轮载疲劳开裂损伤的影响

基于有限元软件KENSLABS,构建了水泥混凝土路面轮载损伤计算模型,引入地基季节调整系数与零养护疲劳准则,分析了土基模量整体削弱对路面疲劳开裂指数的影响,探讨了当量轴载系数与多轴通过一次的计算次数对土基模量的依赖性,研究了不同土基模量下板厚、水泥混凝土抗弯拉强度、单轴轴重、单轴每日重复作用次数等核心路面设计参数与路面开裂指数的关系。研究结果表明:水泥混凝土路面疲劳开裂指数随着地基季节调整系数的减小而增大,增大速度随地基季节调整系数的减小而加快,当地基季节调整系数从1.0减小为0.8和从0.4减小为0.2时,在单轴、双轴和三轴荷载作用下,路面开裂指数分别增大了2.8、2.9、1.5倍和49.8、269.0、1 351.4倍;当量轴载系数与多轴通过一次的重复计算次数受到板厚与土基模量的影响,在土基模量为60 MPa,板厚为15cm或35cm时,单轴荷载比双轴荷载更易产生损伤,双轴荷载比三轴荷载更易产生损伤,在土基模量为20MPa,板厚为15cm时也是如此,但在土基模量为20MPa,板厚为35cm时,结论则与前相反;水泥混凝土路面疲劳开裂指数随着面板厚度、水泥混凝土抗弯拉强度、单轴轴重、单轴每日重复作用次数而改变的幅度与土基模量直接相关,当土基模量为20、60 MPa时,面板厚度从21cm增加到25cm,疲劳开裂指数分别减小1.18×10、1.18×10~(-2),当混凝土抗弯拉强度从4.0 MPa增大到4.4 MPa,疲劳开裂指数分别减小1.28、2.20×10~(-3),当单轴轴重从80kN增大到160kN时,疲劳开裂指数分别增大5.48、7.36×10~(-3),当单轴荷载每日重复作用次数从50增加到90时,疲劳开裂指数分别增大2.05×10-1、5.07×10~(-4);增设厚度为15cm的水泥稳定基层后,设定工况下的路面疲劳开裂设计寿命增加3.42年;在提高土基模量的同时,宜优先考虑适当增加板厚,严禁超载,设置水泥稳定基层等措施,可以控制水泥混凝土路面受轮载作用的疲劳开裂破坏。     

复合式碾压混凝土路面荷载应力分析

采用ANSYS三维有限元分析技术,建立弹性地基上双层板三维路面结构模型,对复合式碾压混凝土路面结构进行了多种因素影响下的路面荷载应力分析,包括基层和面层的层间接触状况分析,临界荷位分析,碾压混凝土面层的模量和厚度、水泥稳定碎石基层的模量和厚度、以及路基的模量等因素对板底弯拉应力的影响分析,以试验路的荷载应力、温度应力理论计算以及回弹弯沉实测结果,作为路面典型结构的路用性能参考。     

复合式碾压混凝土路面荷载应力分析

采用ANSYS三维有限元分析技术,建立弹性地基上双层板三维路面结构模型,对复合式碾压混凝土路面结构进行了多种因素影响下的路面荷载应力分析,包括基层和面层的层间接触状况分析,临界荷位分析,碾压混凝土面层的模量和厚度、水泥稳定碎石基层的模量和厚度、以及路基的模量等因素对板底弯拉应力的影响分析,以试验路的荷载应力、温度应力理论计算以及回弹弯沉实测结果,作为路面典型结构的路用性能参考。     

水泥混凝土路面在车载和温度应力共同作用下有限元分析

车辆荷载与温度翘曲应力共同作用下,容易导致水泥混凝土路面产生疲劳破坏。本文利用大型有限元软件ANSYS对不同参数变化的混凝土路面进行有限元模拟计算,分析取不同板厚的条件下,车辆荷载与温度应力对水泥混凝土路面的影响,得出混凝土板在正温度梯度和车载共同作用时,在相同地基模量情况下,产生的板内纵向拉应力会随着混凝土板的长度与厚度的增大而增大。     

提高混凝土路面抗折强度的措施

水泥混凝土路面具有较强的抗重载能力,但对超负荷重载的敏感性远远超出沥青路面。随着车辆轴载的增大．不仅混凝土路面内部产生的荷载应力增大,尤其是实际累计标准轴载远远大于设计轴载．使水泥混凝土路面产生疲劳损坏。     

基于路基强度衰减条件下的路面结构力学分析

通过拟定不同路基强度的半刚性基层沥青路面结构组合和超载情况,利用Bisar3.0软件,对路面结构力学进行了计算,分析了基层层底拉应力、基层表面压应变及路表弯沉的变化规律。同时,对基层疲劳寿命进行了分析,得出了路基强度衰减和超载对道路耐久性的影响。计算结果表明:对于基层的疲劳寿命,路基强度未衰减且未超载是路基强度衰减60%和超载120%的2.76×106倍,从而得出路基强度衰减和超载共同作用对道路的耐久性具有显著影响。对荷载作用次数Nf、轴载P和路基回弹模量E0三者进行线性回归,得出三者之间的关系,为相关路面结构设计提供依据。     

路基干湿状态对沥青路面力学响应的影响

采用BISAR3软件从路面力学的角度研究了不同干湿状态下的路基对沥青路面的力学响应,采用路基回弹模量和层间连接状态两个参数来分析路表弯沉、各层面的正应力和剪应力的变化情况。结果表明:路基干湿状态对沥青路面结构的力学变化有很大影响,尤其是路面弯沉和基层层底拉应力,剪应力也有一定影响。     

倒装路面结构面层在移动荷载作用下的层底拉应力分析

利用ANSYS建立倒装路面结构在移动荷载作用下的有限元模型,研究超载对于倒装路面结构沥青面层疲劳寿命的影响。结果表明,在车辆荷载作用下,倒装结构沥青面层层底拉应力比半刚性路面大,在移动行车荷载作用下可达到0.17MPa;沥青面层层底拉应力随行车速度增加有小幅增加,增加幅度在15%以内;随荷载水平增加,倒装路面结构沥青面层层底拉应力呈线性增加,在超载100%时,沥青层层底拉应力为标准轴载情况下的1.7倍。     

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基于半刚性基层沥青路面反射裂缝严重性,应用断裂力学理论及有限元软件ABAQUS,建立20结点等参有限元模型,数值模拟沥青路面反射裂缝的扩展,并应用Paris公式预估其疲劳扩展寿命,分析探讨反射裂缝扩展过程中应力强度因子K2 的变化规律及路面结构参数对其扩展寿命的影响.计算表明：(1)沥青面层反射裂缝的扩展只考虑偏荷载作用,K2 随着裂缝的扩展不断增大,初期扩展速度较慢,后期扩展速度急剧增加,直至破坏.(2)路面结构参数中,面层厚度、基层模量、底基层厚度、底基层模量和土基模量的增加对面层反射裂缝疲劳扩展寿命有利,而面层模量和基层厚度的增加则不利于面层反射裂缝的疲劳扩展.     

足尺沥青混凝土路面加速加载动力响应

采用足尺沥青混凝土路面加速加载试验设备,检测了移动车辆荷载下路面结构的动力响应,分析了面层底部的动应变和土基顶竖向压应力,研究了车辆轴重、行驶速度和轮胎胎压对路面结构动力响应的影响,分别建立了动力响应与轴重、车速的回归模型,在不同轴重、车速和胎压下对4种路面结构进行了试验。分析结果表明:在行车荷载作用下,面层底部应变响应呈拉压应变交变状态;在中等试验温度条件下,面层底部应变响应随轴重的增加而线性增加,土基顶竖向压应力呈单向应力状态,且随轴重增加而增大;车速显著影响面层底部应变响应,但对竖向压应力影响不大,仅影响应力的脉冲持续时间;随车速增加,应力脉冲时间缩短,面层底部应变响应减小;重载车辆在低速行车时对路面的破坏作用更严重,但胎压对面层底部应变和土基顶竖向压应力影响较小。     

重载交通沥青路面结构受力特性分析

针对当前车辆超载的情况及我国沥青路面的主要结构形式,分析车辆超载对半刚性基层沥青路面结构路表弯沉、弯拉应力、使用寿命的影响。数值计算结果表明：随着超载率的增加,弯沉和弯拉应力逐渐超过容许值;车辆超载使道路在使用年限内承受的累计标准轴次大大减少,导致路面使用寿命明显缩短。超载车辆对道路的一次性破坏作用使得通过疲劳破坏设计出的道路无法满足实际交通需求。     

沥青路面超载作用下力学性能敏感性分析

在不同荷载条件下变化沥青路面结构层的模量,找出沥青路面在超载作用下随结构参数变化路表弯沉、面层拉应力、基层拉应力、底基层拉应力和土基顶面压应变等力学性能及路用性能的变化规律,针对超载作用下的沥青路面要合理控制各结构层之间的模量关系,同时提高土基模量.为超载作用下沥青路面设计、施工提供理论依据.     

半刚性基层模量对路面结构受力的影响

针对不同的半刚性基层模量,采用BISAR3.0计算程序进行计算,分析了面层竖向应力、面层底面及基层底面拉应力、路表弯沉、表面剪应力最大值产生的位置,以及随半刚性基层模量的变化趋势.结果表明:过大的基层模量,会导致路面车辙,发生剪切破坏、基层开裂,降低面层的疲劳寿命,但过小的基层模量又不能形成足够的强度;综合分析认为,基...     

水网地区路面弯沉湿度系数研究

通过研究水网地区路基回弹模量受湿度和土质情况的影响,提出适合于水网地区普通公路沥青路面弯沉湿度系数,对于水网地区普通公路沥青路面的路基路面结构设计、施工检验具有现实指导意义.     

荷载作用下半刚性基层沥青路面开裂原因分析

利用线弹性断裂力学理论和有限元法计算裂纹尖端应力强度因子,并且利用Paris公式计算了沥青路面的疲劳寿命。提出现在我国半刚性基层沥青路面容易产生反射裂缝的可能是由于沥青面层较薄、沥青面层刚度较低、基层刚度过高等综合因素造成的。基层抗压模量的变化对沥青路面疲劳寿命影响比面层抗压模量的变化更显著,随着面层厚度的增加,沥青路面的疲劳寿命有较大的提高。     

基于Ansys的水稳基层疲劳影响因素分析

通过Ansys软件,采用soild45单元,分析各层在完全连续状态时,水泥稳定基层在不同路面结构和材料参数下的底面拉应力。采用AASHTO 2002中半刚性基层疲劳方程计算各个因素水平下水泥稳定基层的疲劳寿命,分析了各因素对基层疲劳性能的影响。结果表明:基层底面拉应力随轮胎接地压力的增加而增加,疲劳寿命则随之减小;基层底面拉应力随基层模量增加而增加,随面层和底基层模量的增加而减小;基层底面拉应力随各结构层厚度增加均减小,随基层厚度变化而减小的速度最大。