长寿命路面沥青层底拉应变影响因素分析

沥青层底拉应变是长寿命沥青路面在设计中的一个重要指标,可以作为路面是否能够达到长寿命要求的一个初步评价标准。因此,分析影响路面沥青层拉应变的相关因素,以及各因素的影响水平对指导长寿命沥青路面结构材料的设计具有十分重要的意义。     

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.     

级配碎石基层沥青路面力学响应的灰关联分析

文章采用美国KENPAVE软件对比分析了2种典型级配碎石基层路面结构在不同厚度条件下的路表弯沉、沥青层底拉应变、土基顶面压应变等力学指标,并采用灰关联法分析了各力学指标对结构影响的显著程度。研究表明:倒装路面结构形式优于柔性基层路面结构形式,且碎石夹层厚度为15cm左右时,结构形式最优。     

沥青路面力学响应的季节性变化研究

为使对路面结构的分析和设计更加符合实际情况,需要考虑季节性的变化．针对某一柔性基层沥青路面结构进行分析,通过室内试验确定了各层沥青混合料的动态模量主曲线和时间温度换算因子,并确定了路面结构内温度场和动态模量的分布和变化,进而计算了路面结构关键响应随时间的变化情况．分析了路表弯沉、沥青层底拉应变和土基顶面压应变季节性波动情况,并在满足工程精度要求下,确定了响应的关键位置.     

典型结构形式沥青路面疲劳寿命对比

为了丰富广东省路面结构形式的多样化发展,文中依托广河高速惠州段柔性路面结构形式,对比分析柔性与半刚性基层力学响应,并进行了永久变形量和疲劳寿命的比较。结果表明:相比于典型的半刚性基层沥青路面而言,柔性基层路表弯沉、沥青层底拉应变、土基顶面压应变更大;柔性基层沥青路面疲劳寿命优于半刚性基层,但其沥青层永久变形量较大,早期病害中车辙出现的概率较高。结果可为柔性路面结构在其他项目的应用提供参考和借鉴,同时也可为柔性路面营运期的养护提供思路。     

土基模量对沥青混凝土路面的力学响应的影响

采用基于多层弹性层状体系理论的路面结构分析软件BISAR3.0,对我国典型的半刚性路面结构的路表和路基顶面弯沉、面层和基层层底拉应力及路基顶压应变进行计算分析。结果表明,土基模量对半刚性基层层底拉应力较面层层底拉应力影响较大,起主要控制作用;并且随着土基模量的增加,路面结构层的力学性都能得到明显改善。     

基于FBG的沥青混合料横向流动变形评价

为了分析沥青混合料横向流动变形, 进行了沥青混合料的车辙试验, 利用布设于沥青混合料板表面的光纤布拉格光栅传感器, 研究了沥青混合料表面的横向应变规律; 以最大应变和蠕变稳定阶段横向应变速率绝对值为评价指标, 分析了沥青混合料横向流动变形。分析结果表明: 横向流动变形随沥青混合料的最大应变和横向应变速率绝对值的减小而降低; 横向流动变形在循环轮载作用下不断发展, 测试点距离轮载愈近其流动变形愈剧烈; 当胶粉掺量分别为0、15%、18%时, 距离轮载63 mm的测试点横向应变速率分别为6.8×10^-6、4.0×10^-7、6.4×10^-6 min^-1, 因此, 掺15%胶粉的沥青混合料具有较大的抵抗高温横向流动变形的能力; 对于15%胶粉掺量的沥青混合料, 当其集料级配分别为AC-13粗级配和AC-13细级配时, 距离轮载28 mm的测试点横向应变速率分别为6.0×10^-7、7.7×10^-6 min^-1, 因此, AC-13粗级配沥青混合料高温抗横向流动变形能力优于AC-13细级配; 胶粉改性沥青混合料最大应变为1.96×10^-4, 而胶粉和抗车辙剂复合改性沥青混合料最大应变只有1.22×10^-4, 说明在高温情况下, 胶粉和抗车辙剂复合改性沥青混合料整体结构强度较大, 能够承受来自轮载的直接作用而不向轮迹两边产生横向推移致使发生较大的横向流动变形。基于光纤布拉格光栅横向应变的沥青混合料横向流动变形评价能较好地说明不同材料和级配对沥青路面产生侧向流动变形规律的影响。     

柔性路面弯沉和路基压应变指标分析

分析了路表弯沉和土基顶面压应变对路面控制设计的不安全一致性，建立了路表弯沉和土基顶面压应变的相关关系，在明确了设计弯沉和容许弯沉的概念后，利用路表弯沉和土基顶面压应变的相关关系式，并借鉴了ＡＩ法土基顶面容许压应变进行控制的设计弯沉指标。     

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。     

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。     

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。     

环氧沥青混凝土抗疲劳层对柔性基层长寿命沥青混凝土路面结构的影响

开发了一种适用于道路工程的新型环氧沥青, 基于拉伸试验、黏度试验和荧光显微技术评价了其抗拉强度、断裂伸长率、黏度随时间增长规律和微观固化机理; 设计了AC-13C环氧沥青混凝土, 评价了其路用性能和疲劳特性, 分析了普通沥青混凝土、SBS改性沥青混凝土与环氧沥青混凝土作为抗疲劳层材料对柔性基层长寿命沥青混凝土路面结构厚度与疲劳寿命的影响。试验结果表明: 开发的环氧沥青抗拉强度为2.47 MPa, 断裂伸长率为2.65, 满足环氧沥青抗拉强度不小于1.5MPa、断裂伸长率不小于2的技术要求; 环氧沥青黏度增长到1Pa·s的时间为54min, 54min后, 黏度迅速增大, 因此, 施工时环氧沥青混凝土的拌和、运输与摊铺总时间应控制在54min内; 根据环氧沥青混凝土疲劳方程反推出当其疲劳寿命为10亿次时的疲劳应变极限为333με; 相对于普通沥青混凝土和SBS改性沥青混凝土, 环氧沥青混凝土抗疲劳层路面结构的疲劳寿命分别增大了2.92×10⁵、4.39×10³倍, 沥青层厚度分别减小了18、10cm; 环氧沥青的微观固化机理为环氧树脂与固化剂在沥青中逐渐从点到线、由线到网形成交联的三维网状结构。     

考虑碎石基层横观各向同性的沥青路面结构设计

为了分析碎石材料横观各向同性特性对沥青路面结构设计的影响, 评价其使用特性, 运用状态空间理论, 基于横观各向同性层状弹性体系理论解, 使用路面结构分析程序ANISOLAY-ER, 对基于土基和碎石类材料横观各向同性特性的路面结构设计进行了分析, 给出了5种典型沥青路面结构三层体系设计诺谟图, 并对一碎石基层沥青路面结构厚度进行了程序化设计。结果表明: 在考虑沥青路面关键性设计指标的情况下, 对于碎石基层沥青路面结构, 沥青层底部拉应变和路表弯沉都普遍比容许值小50%左右, 其控制设计指标主要为路基顶部的压应变, 车辙为其主要破坏模式。     

基于沥青路面结构力学行为的车辙深度控制标准

为了进一步规范沥青路面车辙深度的控制标准, 研究了车辙深度对路面结构的影响; 考虑车辙断面特征, 建立了车辆跨越车辙时的动荷载计算模型, 并以冲击系数量化了车辆对路面结构的冲击效应; 通过数值仿真研究了车辆荷载作用下路面结构的内部损伤, 探索了不同车辙深度下路面使用性能的衰减规律。研究结果表明: 车辙深度对路面结构的冲击效应不可忽视, 冲击系数随着车辙加深线性增加, 基于冲击效应的车辙深度应不大于11 mm; 沥青混合料层的最大拉应变位于上面层层底, 与车辙深度正相关, 中面层和下面层的拉应变与车辙深度负相关, 但应变水平显著低于上面层, 基于面层弯拉破坏的车辙深度应不大于15 mm; 最大剪应力出现在上面层层底, 随着车辙深度的增加缓慢增大; 车辙深度处于5~10 mm, 各面层的剪应力整体变化较小, 当其从10 mm增加到25 mm时, 上面层0~1 cm深度处的剪应力增加了14.5%, 增速明显超过中面层和下面层剪应力的减小速度, 基于面层剪切破坏的车辙深度应不大于10 mm; 车辙深度对无机结合料稳定层拉应力的影响不大; 车辙深度超过15 mm后应关注路基顶面压应变的变化, 防止路基出现大的变形。     

嵌锁块路面受力特性与设计方法

为了提高传统路面嵌锁块尺寸与嵌锁块竖向嵌锁能力, 开发了大尺寸企口连接嵌锁块, 分析了其受力特性。以有限元方法建立了嵌锁块路面整体模型, 以弹簧单元模拟嵌锁块间传荷能力, 分析了嵌锁块尺寸、嵌锁块传荷能力、碎石基层厚度与路基强度对路表弯沉和路基顶面竖向压应变的影响。以路基顶面永久应变为控制指标, 建立了路基顶面应变水平与标准累计轴次的关系。计算结果表明: 在相同地基和基层条件下, 嵌锁块尺寸由30cm×20cm增大到50cm×30cm时, 路表弯沉可减小25%~30%, 路基顶面压应变可减小25%~45%。当接缝弹簧弹性系数由102 N·m^-1增加至108 N·m^-1时, 路表弯沉降低50%~55%, 路基顶面压应变降低65%~75%。可见, 采用较大尺寸的嵌锁块与加强嵌锁块的传荷能力对提升路面性能有显著作用, 路面设计时应依据道路的交通水平查图确定路基顶面的压应变水平, 据此确定合理的基层厚度和嵌锁块尺寸, 使路基顶面竖向压应变满足要求。     

沥青路面设计中增加抗车辙设计指标的探讨

分析我国现行沥青路面设计指标,指出弯沉指标不能有效的控制路面车辙,在吸收国外沥青路面设计指标的基础上,增加路基顶面压应变指标作为沥青路面抗车辙设计指标;在参考城市道路设计规范,分析路面剪应力分布的基础上,提出面层材料剪应力也可作为沥青路面抗车辙设计指标。     

结构层模量对路面力学响应影响的三维数值分析

目前关于路面结构层模量对路面结构力学响应影响的研究一般是利用弹性层状理论进行分析。从三维数值分析的角度, 分别从路表弯沉、面层和基层内的压应力及拉应力等方面说明了结构层模量及基层条件对路面结构力学响应的影响。分析认为路面各结构层模量的提高能减小路面表面弯沉, 较高的基层模量会增大面层内的压应力, 较高的底基层模量能减小基层底面的拉应力。有关分析结果对路面结构的设计和施工具有参考价值