基于有限元方法对半刚性基层沥青路面设计指标敏感性分析

由于沥青路面在现行的组合设计中没有太重视,本文基于内蒙古自治区高速公路半刚性基层沥青路面的结构设计参数进行调查,利用ANSYS有限元软件,采用正交试验的方法建立模型,分析了面层厚度、层间接触状况、基层厚度以及路基模量这4个因素对沥青路面的路表弯沉和半刚性基层层底拉应力的敏感性。为以后的沥青路面结构组合设计提供理论基础。     

半刚性基层沥青路面结构可靠性分析

选用交通量、路面厚度、弹性模量、车辆荷载作为沥青路面结构设计中的影响参数。将这些服从一定概率分布的参数,在Ansys概率设计的可靠性分析中视为自变量。构造含有弯沉、层底弯拉应力、路基顶压应变共3个控制指标的路面结构承载能力极限状态函数作为可靠性分析的因变量。通过可靠性分析的结果可以得出半刚性基层沥青路面满足设计要求的概率。结果表明:当以弯沉作为控制指标时,路面结构满足设计要求的概率最低,以层底弯拉应力和路基顶压应变为满足设计要求的概率较高。增大路基回弹模量和基层厚度可以提高半刚性基层沥青路面的可靠性。对提高可靠度较为理想的选择是增加基层的厚度。     

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。     

斜坡路基沥青路面结构动力响应分析

斜坡地段公路的主要破坏形式是斜坡路基的稳定和沥青路面的纵向开裂。斜坡路基沥青路面的力学行为因其特殊的结构形式有其显著特点。现场调查表明轮载动力作用直接影响斜坡路基稳定及上承路面结构的响应。采用有限元软件ABAQUS建立了斜坡路基路面动力计算模型,分析了车辆荷载作用下斜坡路基动应力、路表弯沉以及基层层底拉应力的变化规律,重点研究了车辆轴载、行车速度、面层刚度、面层厚度、基层刚度、基层厚度、路基模量等外加荷载状态、路面层状组合与材料力学性能方面的参数对斜坡路基沥青路面结构动力响应的影响。分析认为斜坡路基填筑质量、基层厚度和动力作用对路面响应具有重要影响,设计、施工和管理中必需采取有针对性的措施以防止路面的早期破坏并保证路面的长期使用性能。     

适应不同交通量的冷再生基层沥青路面结构厚度研究

为了全面掌握冷再生基层沥青路面结构的厚度组合,在对现有的国内冷再生基层沥青路面结构厚度组合进行调研的基础上,将原路面结构作为路基,冷再生层作为基层,对车辆荷载作用下三层路面结构体系的力学响应进行了分析,采用面层底部拉应变和再生基层底部的拉应力为控制指标,研究了不同交通量条件下,冷再生基层沥青路面结构的厚度要求,提出了适应不同交通条件下的冷再生基层沥青路面结构厚度组合,并绘制了厚度诺模图,为冷再生基层沥青路面结构的设计提供理论指导.     

混合式基层沥青路面结构设计方法的研究

分析了现行规范中沥青路面结构设计方法存在的问题,并考虑当前沥青路面的损坏特点及混合式基层沥青路面的结构特点,提出了考虑了不同层间粘结条件、以弯沉、沥青层最大拉应力、半刚性层底最大拉应力以及剪应力为设计或验算指标的混合式基层沥青路面结构设计方法,比较了新设计方法及2006版规范设计方法的计算差异,并以湖南省邵永高速公路实体工程为例介绍了沥青路面结构组合设计的计算过程。     

移动荷载作用下半刚性基层沥青路面结构动力响应分析

基于弹性层体系理论,使用有限元计算软件ANSYS10．0计算了移动荷载作用下半刚性基层沥青路面的动力响应,分析了半刚性基层沥青路面在不同车速车辆动荷载作用下设计指标——路表弯沉、基层底弯拉应力、底基层底弯拉应力、路基土顶面压应变的变化规律,得出了相关的结论。     

复合基层沥青路面结构设计方法研究

分别从路表弯沉值、承重层、设计使用寿命和路面分析年限等方面分析了现行公路沥青路面设计方法存在的不足;研究了复合基层沥青路面损坏的主要类型,提出了适合我国复合基层沥青路面设计控制指标与标准。分析了主要设计控制指标沥青层层底拉应变、半刚性层底部拉应力和辅助设计控制指标路表弯沉值、路基顶面压应变的控制标准,提出了基于疲劳、车辙和弯沉的复合基层沥青路面设计方法。结果表明:复合基层沥青路面主要设计控制指标与标准为:沥青层层底拉应变εr≤65με、半刚性层底部拉应力σm≤σR;辅助设计控制指标与标准:路表弯沉值l s≤(45H F-210)N-0.2e、路基顶面压应变εz≤180με。     

基于动力特性的典型沥青路面性能评价与结构优化

为研究动态荷载作用下沥青路面的力学特性及其使用性能,以Abaqus有限元软件为平台,建立沥青路面三维有限元动力分析模型,对比分析3种典型沥青路面结构的动力行为特征,进行路面性能评价,并开展沥青路面的结构组合优化分析。研究结果表明:随基层厚度增加,各动力响应量表现为路表弯沉、底基层层底应力和路基顶压应变逐步递减;面层层底应变和层间剪应力逐渐减小,并且随厚度增加,其变化逐渐减弱;当基层厚度20cm,底基层承担较大弯拉应力,随基层厚度增大,基层逐渐成为主要承重层;半刚性路面(S1)整体刚度大,并能较好地抑制沥青层开裂及路基永久变形,倒装式路面(S2)的各项动力力学指标均处于不利状态,组合式路面(S3)的沥青层剪应力指标最优;采用动力指标与结构参数之间的正、负相关性及其显著性分析方法可更直观判别路面结构优化方向,为改善路面受力状态,对S1结构应提高基层厚度、降低面层模量,对S2结构应提高基层厚度,对S3结构应提高基层厚度与面层模量。     

混合式基层沥青路面结构应力、应变特性及经济性分析

基于我国沥青路面设计理论及标准,拟定了3种混合式基层、一种典型半刚性基层与一种典型柔性基层共5种沥青路面结构,利用BISAR3.0程序对5种结构进行力学计算分析。主要针对5种路面结构的沥青层内最大拉应力、最大拉应变、路基顶面压应变、路表弯沉等力学指标进行深入对比分析,并根据疲劳寿命对各类基层进行了经济性分析。数据分析结果表明：通过合理的设计,混合式基层结构在力学性能上可以较典型半刚性基层和柔性基层结构更加优秀,虽然从单价上来讲,经济性能上不如半刚性基层,但考虑路面疲劳寿命性价的话,采用沥青稳定碎石作为上基层的混合式基层可以优于半刚性基层,这为今混合式基层沥青路面结构的应用推广提供了重要的参考。     

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。     

青藏公路路面对路基不均匀变形的适应性分析

路基路面是一整体,路基不均匀变形会导致路面开裂。为了分析路基不均匀变形引起路面结构的应力、应变变化过程,应用ABAQUS来分析青藏公路路面结构对路基不均匀变形的适应性,建立了路基不均匀变形引起路面结构破坏的响应模型。结果表明,路基变形量在3cm以内路面各结构层的弯拉应力在其容许范围内,道路结构是安全的。     

基于路基路面协调变形的水泥混凝土路面设计研究

采基于路基路面协调变形,建立三维有限元分析模型,并对典型水泥混凝土路面结构的荷载应力进行计算。采用正交试验设计的方法对路面设计参数进行组合,系统分析了设计参数对路基路面应力响应的影响。结果表明,对于水泥混凝土路面,在路面设计参数中,仅有路基回弹模量对路面板拉应力与面层板厚度对路基应力具有显著影响。因此,可将路面厚度和路基回弹模量设计作为水泥混凝土路面设计重点。基于不同路面板厚度下路基工作区深度,可将交通荷载影响区加深至1．5m。基于不同路面板厚度、路基回弹模量和不同轴载对水泥混凝土路面板疲劳寿命影响规律,在重载交通条件下,应该增加路面厚度和增强路基。考虑经济因素并结合以上分析,建议水泥混凝土路面厚度宜取28—30cm,路基回弹模量宜介于40-80MPa之间。     

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。     

水泥混凝土路面下路基工作区深度确定方法的探讨

通过讨论原路基工作区深度确定方法的局限性及应用于水泥混凝土路面时的不合理之处,提出以荷载作用于水泥混凝土面板不同荷位时的路基应力比（板角、板边时的路基应力与板中时的比值）作为水泥混凝土路面下路基工作区深度的控制指标。采用有限元方法,讨论了路基应力扩散特征和工作区深度,给出了路基深度0.8m处的应力比取值范围。结果表明：不同轴型（单轴、双轴和三轴）及不同公路等级的路基工作区深度变化在0.65～1.55m之间,原0.8m的路基工作区深度已不能完全满足现在路面结构和轴荷条件下的情况。在综合考虑轴荷、路面结构和公路等级基础上,推荐了路基工作区深度值。     

多年冻土地区沥青混凝土路面材料对结构附加应力的影响

多年冻土地区路面结构出现大量早期损坏,究其原因,与多年冻土地区独特的工程特点有直接关系。多年冻土地区路基的融沉变形使沥青混凝土路面结构层产生附加应力,其与荷载应力的综合作用,直接导致路面结构的破坏。采用有限元法,并将融沉变形简化为二次曲线,建立沥青混凝土路面结构的横向计算模型。计算分析了路面材料与基层底面附加应力的变化关系,并得出附加应力的主要影响参数,为多年冻土地区路面的结构设计提供依据。     

沥青路面土基模量季节变化影响分析

通过铺筑室内土基足尺试验,模拟南方气候条件的变化控制地下水位,实测得到1年内各个月份的土基模量值,用弹性层状体系理论计算了典型路面结构各个时期内各计算点处的应力、应变、变形,进而对常用的路面设计指标弯沉、疲劳、车辙进行了损伤分析,将计算结果与考虑最不利季节模量的计算值进行了对比分析,得出对于我国半刚性路面,土基模量的季节性变化对弯沉和疲劳损伤影响较大,而对于车辙损伤的影响较小的结论。     

基于拓宽罩面刚性基层的路基差异沉降标准研究

针对水泥混凝土路面拓宽罩面结构的受力特征,通过现行设计规范对复合式路面疲劳应力进行了验算,采用有限元对碾压混凝土刚性基层因路基差异沉降引起的板顶横向和竖向应力分布进行了计算。结果表明,随着路基差异沉降量的增加板顶最大横向拉应力亦增大,为满足碾压混凝土3.5MPa设计弯拉强度的要求,新旧路基差异沉降量应控制在50mm范围内。     

兵团垦区软土路基工后差异沉降控制标准研究

针对新疆建设兵团垦区软土地区的公路工程特点,运用有限元软件,建立计算模型来研究路基发生不均匀沉降时路面结构的受力特性,从控制路面结构的容许弯拉应力的角度,分析了影响软土地基的工后容许差异沉降量的因素,包括公路等级、路基宽度、交通量、路堤填土高度等;提出了垦区软土地区公路路基顶面的工后差异沉降控制标准的计算思路,并总结了计算流程.在此基础上,通过计算,提出了垦区软土地区二,三,四级公路路基顶面的工后差异沉降控制标准,并根据路基顶面的差异沉降率控制标准,反算出软土地基的工后容许差异沉降量控制标准.