沥青路面温度场的现场观测与分析

通过在沥青路面结构层中埋设温度传感器,对沥青路面结构的温度场变化情况进行了连续的的现场观测,描述了昼夜温差及温度随深度的变化情况,并分析了这些变化对沥青混合料动态模量的影响。阐述了在我国路面结构分析和设计中考虑昼夜温差及温度随深度的变化情况的必要性。     

昼夜温度及交通量变化对沥青路面响应及性能的影响

现场沥青路面结构承受的交通量及温度都有随昼夜变化的特性,如果交通量较为集中的时段往往也是地表温度较高的时段,则会对路面结构造成较大的破坏。文章利用试验得到的沥青混合料的动态模量主曲线和时间温度转换因子,结合实测的路面结构温度场对这一问题进行了定量分析。分别分析了沥青混合料的动态模量、路面结构的关键力学响应以及荷载对路面结构的破坏率的昼夜变化特性,并比较了冬天和夏天变化特性的不同;结合不同时间的荷载作用破坏率及实测的交通量小时分布系数进行分析,表明按交通量实际分布情况得到的路面结构使用寿命可以比按传统假设的均匀分布情况小10％以上。在路面结构分析和设计中有必要考虑温度及交通量的昼夜变化特性。     

不同沥青混凝土路面结构的大温差温度行为分析

为基于环境因素的大温差地区选择适宜的沥青混凝土路面结构提供理论依据。考虑沥青混合料的感温特性,将路面结构视为层间接触的不连续层状体系,应用ABAQU S的瞬态热分析和热-结构耦合求解技术,对不同基层类型沥青混凝土路面结构在低温大温差作用下的温度场与温度应力响应等温度行为特性进行分析。分析结果表明:采用级配碎石、掺2%水泥的级配碎石以及沥青稳定碎石等柔性基层的沥青混凝土路面结构组合,具有优良的抗环境温度变化作用的性能,是高寒、低温大温差地区值得推荐选用的沥青混凝土路面结构。     

基于连续变温的沥青路面温度场与应力场有限元分析

受冬季昼夜温差影响,陕西农村地区沥青混凝土路面普遍存在严重的路面开裂现象。为明确其机理,减少由路面开裂带来的经济损失,本文采用有限元分析软件ANSYS建立了冬季低温环境下的路面结构模型,在1d连续变温条件下研究了温度场、应力场的变化以及各结构层厚度与细小裂缝对应力场的影响。结果表明:(1)沥青面层有效地减少了基层温度梯度的变化,温度应力峰值出现在面层表面;(2)表面微小裂缝在温度应力作用下易于扩展形成路面裂缝等道路灾害;(3)合理的面层厚度、基层厚度有利于减轻道路灾害。研究结果为陕西农村地区沥青混凝土路面开裂预测与结构设计提供了有力的理论支撑。     

足尺路面试验环道路面温度曲线特征及拟合研究

为了对路面温度变化规律及特征进行分析,分析了足尺路面试验环道RIOHTRACK路面结构温度季节性变化和日变化的一般规律。路面结构内部温度随着季节变化呈现交替性变化,且不同深度处温度在全年有两个交叉时段,在这两个交叉时段,路面结构内部不同深度处温度差达到最小;路面结构内部温度是由大气温度和大地温度共同作用影响的,而日温差为0℃的最小深度位置即为这两个温度场相互作用的平衡点。该平衡点上部结构温度,主要受大气温度变化的影响,其日温度随着大气温度变化呈现周期性波动,波动曲线呈现非对称波的特点。基于日温度变化曲线非对称波的特点以及路面温度随深度变化的规律,研究了路面温度日变化曲线和路面温度随深度变化曲线的拟合方法,分别从时间和深度两个维度建立了路面温度的时间函数模型和随深度变化函数模型。通过模型对实测数据的拟合结果表明:所建立的时间函数模型对路面结构日温度变化曲线具有很高的拟合精度,能较好地契合温度曲线非对称波的特点;所建立的路面结构温度随深度变化函数模型对路面结构温度随深度的变化曲线具有很高的拟合精度,能较好地反映路面结构温度随深度变化的规律。     

沥青混凝土温度应力影响因素分析

通过试验路观测沥青道路结构内实际温度值,总结道路结构内实际温度分布情况及变化规律。在此基础上建立低温下沥青混凝土道路热—结构耦合三维有限元模型,分析降温幅度、沥青面层及基层参数对沥青混凝土路面温度应力的影响规律。此外,还考虑了沥青面层与基层间的接触状况对温度应力的影响。结果表明:降温幅度的变化对道路结构内所引起的温度应力产生的影响最大;沥青面层模量及面层温缩系数的变化对结构内的温度应力影响较大;而沥青面层厚度、基层厚度及基层模量的变化对结构内的温度应力影响都有限,当这些参数值发生变化时,温度应力基本保持不变;层间接触状态的变化对路面结构的力学响应有一定的影响,特别是层间接触状态不同的接触界面。     

半刚性基层沥青混凝土路面温度场有限元分析

通过对基层温度的长期观测,获得了温度随时间的变化规律和温度随深度的变化曲线。利用ANSYS有限元软件对半刚性基层沥青路面计算所求出的数值解与实际值进行对比分析,发现其能够很好地反映路面结构的温度分布状况;路面表面温度同基层顶面最高或最低温度的出现存在时间差,路面到达一定深度范围内,温度随时间变化基本保持一致。     

闽南地区冬季隧道复合式路面结构温度分布规律研究

基于闽南地区隧道工程项目实例,运用有限元软件分析了冬季条件下隧道复合式路面结构的温度分布规律。研究结果表明:随着洞内纵向深度和路面结构深度的增加,各结构层温度日变化幅度逐渐减小,变化相位有滞后现象,洞口与洞内90 m处沥青面层表面温度日变化幅度相差6.51 ℃,结构深度36 cm处日温度最低时刻滞后2 小时,洞口处沥青面层表面与结构深度36 cm处温度日变化幅度相差8.03 ℃,日最低温度滞后10 小时;路面结构温度随隧道纵向深度变化分成洞口不稳定段和洞内稳定段,且随着结构深度的增加,洞内温度不稳定段长度逐渐减小,沥青面层表面与结构深度36 cm处不稳定段长度分别为30 ,20 m,长度减小10 m。     

重载作用下典型路面结构动态响应数据采集与分析

通过在试验路埋设沥青应变仪、温度场传感器等路面响应监测设备,采集了荷载和环境因素作用下不同路面结构沥青层底动态应变响应,分析了动态应变响应特征和应变响应与路面温度、轴载的关系,比较了不同结构的沥青层底最大应变值,构建了路面结构沥青层底应变响应预估模型,揭示了不同路面结构在重载及温度耦合作用下的沥青层底动态应变响应规律。研究结果表明,随着轴载的增加、路面温度的升高,沥青层底最大拉应变增大;不同路面结构沥青层底应变响应变化与其结构组合、交通荷载及环境因素有关,表现出一定的重载和温度敏感性差异;在对比的结构中,组合式基层结构比永久性路面结构具有更小的沥青层底拉应变,传统半刚性基层结构在重载和较高路面温度下具有较大的沥青层底应变响应。     

路面半刚性基层拱胀现象研究及消除对策

随着我国高速公路施工不断地创新和发展,已经形成了基本的高速公路路面结构层形式,即沥青面层+水泥稳定碎石基层(水泥含量4%~5%)+水泥稳定碎石底基层(水泥含量3%~4%)。这种结构形式在全国高速公路路面设计中普遍采用。在一般气候宜人、湿润、温差不大的环境中,路面基层较为稳定,但在气候干燥、昼夜温差大、干旱少雨的西北地区,就会出现基层拱胀现象,甚至反射到路面面层。文章结合京新高速公路临白段(阿拉善盟境内)LBAMSG-3合同段的实际情况,谈谈半刚性基层拱胀的原因及消除对策,以期为在类似环境下施工半刚性基层时消除拱胀提供借鉴。     

沥青路面老化与温度场引起的模量梯度研究

由沥青路面老化与温度引起的模量梯度是造成路面Top-Down裂缝的主要原因,为对Top-Down裂缝进行开裂预估,本文通过计算路面不同深度的平均温度得出路面的温度场分布,研究沥青路面老化随龄期、温度、空隙率和深度的发展变化规律,建立老化预估模型。根据老化预估模型中沥青粘度与沥青混合料动态模量的关系,得到沥青混合料随老化时间、温度、深度、空隙率变化的梯度模量。研究结果表明:通过全寿命沥青路面结构的老化预测模型、沥青粘度与沥青混合料动态模量的关系式,可建立不同老化程度和动态模量之间的关系。     

沥青路面沥青层偏应力分布研究

基于线弹性层状体系理论,采用BISAR软件计算分析沥青路面不同温度区间沥青层偏应力沿深度方向的分布规律;并通过计算大量路面结构,分析总结出沥青层偏应力分布随行车速度、基层模量、基层厚度和面层厚度改变的变化规律。研究结果表明:全温域条件下,不同温度区间和不同轴载等级的沥青层偏应力分布呈现一定的相似性,均先增大后减小,且均在距路表0.06m~0.10m范围内出现最大偏应力,中面层是最大偏应力作用的主要集中区域。沥青层最大偏应力随泊松比的增大而减小,且随着温度的增大,泊松比对偏应力的影响有降低的趋势。在固定评价基准的情况下,给出了不同温度区间行驶速度、基层模量、基层厚度、面层厚度变化时沥青层偏应力变化系数。行车速度、基层模量和面层厚度在温度区间为(35~40]℃时的改变,对偏应力分布的变化幅度影响最大,分别达到7.74%、7.08%和25.76%。基层厚度在温度区间为(25~30]℃时的改变,对偏应力分布的变化幅度影响最大,达到12.92%。根据伽玛分布曲线概率密度函数建立了沥青路面沥青层偏应力分布预估模型,拟合得到不同面层厚度不同温度区间的偏应力分布预估模型参数,从而可以求出沥青层不同温度区间任意深度处的偏应力分布。     

具有柔性过渡层的沥青混凝土路面半刚性基层顶部温度状况的理论模拟

半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝产生的原因之一是半刚性基层温度变化引起的，半刚性基层和沥青混凝土面层之间加入柔性过渡层可有效地防止沥青混凝土路面出现反射裂缝。根据传热学原理，采用有限单元法对吉林省通化试验路3种路面结构半刚性基层顶部温度状况进行了对比分析，结果表明无论夏季或冬季，柔性过渡层都能有效地改善沥青混凝土路面半刚性基层的温度状况，从而减少或消除沥青混凝土路面出现反射裂缝。     

高温条件下沥青路面结构剪应变分析

为了研究福建省新型沥青路面结构抗高温车辙性能,采用BISAR模型,结合福建省沥青路面高温数据,计算了沥青混合料动态模量和两种路面结构的沥青层剪应变。结果表明:沥青路面温度场变化非常大,其中层位越浅,受大气温度影响越大,温度变化也越大,1 d中沥青温度沿深度方向出现等温的情况是非常短暂的,沥青路面设计规范中假定的15℃或20℃等温状态在实际路面中很难存在;沥青路面温度场的变化影响沥青混合料模量值及沿深度方向的分布,在20:00—8:00各沥青层模量沿深度方向降低,此时较为符合现行设计规范中推荐各层模量的变化趋势,但是在其他时间段则不符合这一趋势;不同时刻沥青路面结构内部剪应变水平、剪应变分布及结构最大剪应变层位会有较大的变化,采用静态、单一条件下剪应变分析结果难以全面认识路面剪切破坏机理;不同结构剪应变的温度敏感性不同,在高温条件下半刚性结构的剪应变温度敏感性高于新型结构,而且气温≥30℃、路表温度大于36℃的条件下,新型结构最大剪应变值、应变90%~100%区间均低于半刚性结构,说明新型结构沥青路面抗高温车辙性能优于半刚性结构;新型结构的结构最大剪应变及应变90%~100%区间主要分布在中面层,因此在福建省中面层要求采用SBS改性沥青非常关键,同时对于重载、超载车较多的路段,应变90%~100%区间、80%~90%区间到达下面层(新型结构的上基层)的上部,因此建议福建省新型结构的上基层第1层8 cm ATB-25采用50#或30#沥青。     

基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究

针对沥青路面结构必须控制的疲劳破坏形式,以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标。通过实测沥青面层层底最大拉应变与路面结构不同深度处路面温度的相关性分析,确定了沥青路面疲劳损伤的设计温度,提出了以沥青层中间温度作为沥青路面疲劳开裂分析的设计温度和试验条件。通过实测永久性沥青路面试验路每小时的路面温度和气象数据,分析了沥青层中间温度的分布规律,对沥青层中间温度与气温、路面深度之间的相关关系进行了计算分析,建立了沥青层中间温度的预估模型。结果表明,沥青路面应变响应与温度密切相关,随着路面温度的升高,沥青层底拉应变增大;沥青层中间深度处温度与沥青层底拉应变相关性最高,采用沥青层中间深度处温度能较好地评价路面结构的抗疲劳性能。     

季冻区橡胶沥青碎石封层胶结材料研究

反射裂缝是半刚性基层结构路面常见的病害,裂缝在车辆载荷的作用下形成贯通裂缝,严重影响路用性能和使用寿命。季冻区昼夜温差较大,传统半刚性基层材料失水形成的干缩裂缝和环境温差导致的温缩裂缝是反射裂缝的主要原因。基于国内外研究现状,首先阐述了橡胶沥青碎石封层反射裂缝的产生机理,随后分析了橡胶沥青改性机理,重点讨论了橡胶沥青的制备工艺和性能。研究表明:添加胶粉后,橡胶沥青延度、低温抗裂性能、稳定敏感性都有明显改善。     

重载作用下沥青混凝土路面永久变形有限元分析

针对水泥稳定碎石基层、沥青稳定碎石上基层水泥稳定碎石基层以及级配碎石基层等多种沥青混凝土路面结构类型,利用ANSYS有限元软件构建1/4圆柱体沥青混凝土路面结构有限元模型,提出在接地压力、荷载作用半径以及不同温度(即5℃、20℃、30℃时)路面面层弹性模量变化的条件下,计算分析沥青混凝土路面竖向永久变形.研究路面结构设计参数对路面永久变形的影响,力求更加准确地模拟在重载作用下沥青混合料的永久变形,为沥青混凝土路面的车辙研究和永久病害的防治提供借鉴.     

高温季节桥面沥青铺装层温度场预估

为了准确预估高温情况下桥面沥青铺装层内的温度分布状况,建立了基于热传导学的桥面铺装层有限元模型.对沥青路面不同深度下温度分布情况进行预估,并对相同气温变化下路面桥面温度场差异性进行研究.研究结果表明:桥面沥青铺装层温度分布状况与大气温度、太阳辐射变化有关,铺装层内温度最大值随深度不同分别出现在下午16:00～18:00,此时桥面铺装层温度大于路面温度2℃左右,最低温度出现在上午8:00,此时桥面铺装层温度小于路面温度3℃左右.     

考虑沥青层模量梯度的路面结构剪应力分析

在高温、低温、老化等极端情况下，沥青层的模量有很大的变化，且沿深度范围的模量变化幅度或趋势都有所不同，从而产生了沥青层的模量梯度场。采用三维有限元计算模型及双圆均布荷载，考虑不同情况下沥青层及基层的模量变化，对3种路面结构进行分析。结果表明，沥青层模量梯度对沥青路面结构表面剪应力有显著的影响。在进行沥青路面损坏的力学分析中，有必要考虑其影响。     

不同沥青路面结构反射裂缝产生与扩展影响因素分析

以路面温度场和路面结构受力特性作为反射裂缝产生与扩展的主要因素,分析了广西地区典型结构下温度场分布、沥青层厚度、结构组合、重载等因素对基层开裂的产生及向上扩展的影响。结果表明,较薄的沥青面层在温度场分布、应力场分布上都会对基层产生不利影响,在重交通条件下会加速基层开裂;在半刚性基层沥青路面结构中,基层开裂后,在重交通条件下沥青层越薄,裂缝处的应力强度因子越大,越容易开裂;在复合式路面结构中,应力强度因子随复合式路面结构加铺层厚度的增加而减小,沥青层每增加1cm,应力强度因子平均衰减12%。