典型地区沥青混合料永久变形动态模量代表值研究

沥青混合料在不同的试验温度和荷载频率作用下,其动态力学响应特征不同,不同的温度和行车荷载作用下服役的沥青路面产生的主要路面病害也不同。在沥青路面常见的路面病害中,永久变形属于结构性破坏,可以利用行车荷载作用下的沥青面层混凝土力学响应特征参数来描述。文章通过对内蒙古地区基本状况进行调研,得到分析路面结构参数,然后选取典型区域历年温度参数进行调研,利用调研所得数据,进行永久变形等效温度预估分析,进一步得到永久变形模量代表值。研究结果显示:典型路面结构上、中、下面层的代表温度分别为22.2℃、21.1℃、20.8℃,永久变形模量代表值分别为8570 MPa、9755 MPa、9276 MPa。     

行车荷载与温度综合作用下沥青路面疲劳损伤分析

沥青混合料的劲度模量是温度与荷载作用时间的函数,沥青路面疲劳损伤不仅与行车荷载的反复作用有关,而且需要考虑温度因素的影响。文中采用沥青结构层温度场预估模型和疲劳寿命预测方程,结合沥青混合料劲度模量和Miner疲劳损伤累积定律,预估并分析行车荷载与温度综合作用下沥青路面的疲劳损伤,进而对不同的行车荷载与温度组合作用下沥青路面疲劳损伤的结果进行比较。结果表明:温度对沥青结构层的疲劳损伤有较大的影响,随着温度的升高,沥青混合料劲度模量减小,沥青结构层的疲劳损伤增加;行车荷载与温度综合作用下沥青路面疲劳损伤比仅考虑行车荷载作用下沥青路面疲劳损伤增加30%~40%;考虑温度作用时,重载车辆对沥青路面疲劳损伤的影响更大。     

长寿命沥青路面结构材料参数变化的力学响应

在车轮荷载作用下,长寿命沥青路面结构层材料模量变化时,其力学响应有很大不同。文中选取合理路面结构与参数取值范围,采用有针对性的网格划分方法,建立了长寿命沥青路面结构力学响应三维有限元分析模型;并以典型长寿命沥青路面结构为对象,分析总结了结构层材料模量变化时长寿命沥青路面力学响应的变化趋势,为长寿命沥青路面的实践、设计理论与设计方法的研究提供理论参考。     

倒装基层沥青路面力学响应的灰关联分析

为了研究交通荷载作用下倒装基层沥青路面的力学响应,采用灰关联熵分析方法计算分析了沥青层厚度、级配碎石层厚度、水稳层厚度、沥青层模量、级配碎石层模量和水稳层模量对力学响应指标的影响的显著程度。结果表明:水稳层厚度、沥青层厚度和水稳层模量对沥青路面抗车辙破坏有显著的影响,因此从抗车辙的角度考虑,应适当增加沥青层和水稳层厚度,提高水稳层模量。影响沥青层疲劳寿命的最主要因素为沥青层厚度,影响无机结合料层疲劳寿命的最主要因素为级配碎石层模量,因此从路面抗疲劳性能考虑,应该重点增加沥青层厚度和提高级配碎石层模量。     

基于动态模量加载波形的沥青路面力学响应分析

为了较好地分析行车荷载作用下沥青路面的力学响应,利用矩形波、半正弦波、钟罩形波,模拟沥青路面沥青层不同层位在行车荷载作用下的加载波形。基于AASHTO TP62-03动态模量试验方法,确定沥青层不同层位对应的不同加载波形下的沥青混合料动态模量值。在此基础上建立沥青路面结构的有限元模型,计算沥青面层最大拉应力、最大拉应变、路表弯沉值。并与AASHTO TP62-03标准半正弦波下的力学响应进行比较。结果表明:不同加载波形的沥青路面的力学响应不同,且基于AASHTO TP62-03半正弦波计算得到的力学响应比不同层位不同加载波形组合下的力学响应结果偏小。     

沥青混凝土路面在低温状态下的力学分析

回弹模量是沥青混凝土路面设计中最重要的设计参数,其值随着温度的变化而变化,取值是否合理直接关系到沥青混凝土路面结构层的厚度及受力状态.根据国外的模量与温度的关系模型,分析了沥青混凝土路面在不同温度及模量下的力学状态.结果表明:随着温度的降低、模量的升高,在行车荷载的作用下沥青混凝土路面结构中的中性轴上移,最大拉应力逐渐增大,易导致路面出现裂缝.     

重冰冻区低温-荷载耦合作用下玄武岩纤维沥青路面的抗裂性能

针对内蒙古重冰冻区沥青路面所处的严寒工作环境及路面病害,提出基于抗裂性能的路面结构控制指标。利用Ansys有限元软件建立新建玄武岩纤维沥青路面结构的计算模型和出现裂缝后的路面计算模型,通过室内试验确定玄武岩纤维沥青路面力学参数、热物性参数与其他参数,分别对其低温-荷载耦合作用下的抗裂性能指标进行计算分析,并对玄武岩纤维沥青混合料疲劳寿命进行测试,验证有限元模拟结果的正确性。研究表明:低温-荷载耦合作用下,易裂点位处新建玄武岩纤维沥青路面各项抗裂指标均有所提升;不同荷载位置对含裂缝玄武岩纤维沥青路面不同裂缝扩展时期的影响具有差异化;含裂缝玄武岩纤维沥青路面在低温-正载K_Ⅰ、低温-偏载K_Ⅰ和低温-偏载K_Ⅱ作用下易裂系数指标K_R都较小;在不同温度和应力水平下,玄武岩纤维沥青混合料疲劳寿命始终显著高于普通沥青混合料。     

长寿命沥青路面结构粘弹性力学响应分析

沥青混合料具有粘弹性特性,为客观反映长寿命沥青路面结构的行为特性,该文首先对SMA13和AC-10两种沥青混合料进行弯曲蠕变试验,通过拟合得到其粘弹性力学参数,随后采用三维有限元方法,对一种混合式基层长寿命沥青路面在不同温度下的力学响应进行了线粘弹性分析.结果表明:路表轮隙弯沉值、路面结构沥青层底拉应变和基顶压应变都随着荷载作用时间的增加和温度的升高而逐渐增大.低温时,沥青路面结构的粘弹性特性不明显;温度较高时,沥青路面结构的粘弹性特性表现显著,路表轮隙弯沉值、沥青层底的拉应变和基顶压应变的变化较大.     

基层模量对沥青路面力学性能的影响分析

沥青路面的基层材料种类繁多，模量变化范围很大，而基层模量对路面结构力学有重要的影响。选取3种典型的路面结构，选用4种实测轮胎接地荷载，建立三维有限元路面结构模型，分析基层模量变化时的力学响应。结果显示，基层模量的增加对路面使用寿命有2种不同的影响趋势，一方面可以减少沥青层层底弯拉应变，从而增加沥青路面的疲劳寿命；另一方面，表面层最大剪应力呈明显的增大趋势，容易产生路表面局部早期损坏。在此基础上，给出基层模量的合理范围建议值。最后，提出增加一个抗剪指标以控制基层的模量。     

基于沥青路面早期水损害的水-荷载耦合CT扫描试验和力学响应分析

为了研究在水-荷载耦合作用下沥青混合料试件的压缩疲劳破坏过程及其沥青路面结构的动力响应,借助CT扫描技术和图像处理技术,进行了无水和饱水沥青混合料的宏观和微观破坏初步对比分析,定量分析了破坏前后沥青、集料和空隙的变化情况.根据多孔介质理论,对广西典型半刚性沥青路面结构进行了ABAQUS建模和FLAC-3D的计算,分析了无水和饱水两种情况下的力学响应差异.结果表明:沥青混合料试件从无水向饱水转化时,破坏模式从压裂转变为剪切破坏模式;在行车荷载作用下,饱水沥青路面与其无水情况下力学响应特性的不同主要集中在沥青面层深度范围内;相对于无水情况,饱水情况荷载效应作用时间将会成倍增加,且沥青面层拉应力出现激增,使沥青路面更容易产生结构性损坏;饱水情况下的沥青路面层底产生较大的先压后拉的横向应变,导致沥青路面过早产生疲劳开裂.     

山东省高速公路沥青路面典型结构力学响应观测验证

基于路面温度场采集系统和应力应变采集系统对山东省高速公路沥青路面典型结构进行了力学响应观测,并基于实测温度场对路面材料模量参数进行了温度修正,采用有限元法建立了路面结构力学模型,对路面结构在不同车速作用下的力学响应进行了观测验证。结果表明,路面结构实测应变与理论分析结果能很好的吻合,为路面结构、材料在荷载作用下的行为规律研究提供了大量有用线索。     

疲劳当量温度计算方法研究

现行规范以15℃作为测定沥青混合料疲劳性能的试验温度,忽略了地区之间存在明显的温度差异,以此温度作为各地区的设计温度显然是不足取的。作为控制沥青路面疲劳开裂的代表温度,应该将路面温度与荷载交通量综合表示。为此,根据路面弹性力学层状理论,对控制应力与应变两种加载模式进行分析,讨论了何种加载模式适用于路面实际疲劳状况。对影响沥青路面疲劳寿命的因素,包括控制条件、荷载作用时间、沥青及其混合料性质等加以分析。结合SHELL以控制应变模式计算疲劳寿命的方法,根据Miner法则计算疲劳当量温度。提出了日疲劳当量温度的计算公式,计算了8地区的年疲劳当量温度,讨论了不同地区疲劳当量温度的取值范围,此研究结果为提高路面结构分析精度提供可靠的温度参数依据。     

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。     

横观各向同性沥青路面结构动力响应分析

考虑到沥青混合料、级配碎石和土基等材料具有明显的横观各向同性特性,采用有限元分析方法研究了FWD荷载作用下横观各向同性沥青路面结构的动力响应。分别考虑了不同水平下沥青面层、碎石基层及土基的横观各向同性特性,研究结构层材料的水平方向弹性模量与竖直方向模量比对路面的动力响应影响规律,并根据AI破坏准则对其服务寿命进行了预估分析。结果表明,面层和基层的模量比对路面动力响应和服务寿命影响较大:面层和基层弹性模量比对沥青层底应力应变及土基底部压应变影响都很显著,基层模量比对路表弯沉影响也较大;当面层模量比减小到0.2时,控制疲劳开裂和车辙的荷载重复作用次数分别减小了87%和65%,当基层模量比减小到0.17时,则分别减小了82%和59%;土基模量比对路面结构动力响应和服务寿命影响较小。基于各向同性特性的现行路面设计偏于危险,应适当考虑道路材料的横观各向同性特性。     

面向30年的长寿命沥青路面设计研究

以江苏省某柔性基层长寿命路面结构为基础,分别采用疲劳极限理论和累积损伤理论进行结构设计研究,分析不同设计理论的关注要点。研究结果表明,采用疲劳极限理论,模量采用20℃下动态模量时,沥青路面结构的力学响应显著低于长寿命路面的设计要求,采用最不利条件下实际温度场对应的动态模量时,原路面结构不能满足设计要求,且沥青层内最大水平弯拉应变出现在中面层底;采用累积损伤理论,低剂量水泥稳定碎石底基层的疲劳寿命难以满足设计要求。综合模量、厚度等敏感因素分析,得到符合设计交通量条件的长寿命沥青路面结构。     

行车荷载下不同沥青路面结构动力响应测试分析

为研究行车荷载下不同沥青路面结构的动力响应,验证、完善我国沥青路面设计方法,在两种倒装式和传统半刚性基层沥青路面结构内部埋设沥青应变计、土压力计和垂直大变形应变计等传感元件,以单后轴货车为行车荷载,现场开展了不同轴重、不同行车速度及制动工况下3种路面结构的动力响应测试。以沥青层层底纵向应变与横向应变、路基顶面土压力和过渡层底部竖向压应力与竖向位移为评价指标,分析了不同沥青路面结构的动力响应规律。结果表明:随行车速度增加,各路面结构沥青层层底应变、过渡层竖向压应力与竖向位移均明显减小;从拉应变循环幅值看,半刚性基层结构随车速的变化更敏感;相同轴重和车速下半刚性基层结构路基顶面的压应力远小于倒装式结构,半刚性基层结构荷载扩散能力更优;相同车速下,3种路面结构沥青层层底纵向应变循环幅值和路基顶土压力均随轴重增加而增大,且半刚性基层结构的增幅相对更大,即半刚性基层结构对荷载更敏感,倒装式结构对荷载适应性更强;车辆制动会引起沥青层层底残余应变、纵(横)向应变与应变循环幅值大幅增加,频繁制动易引起路面车辙变形和加速路面沥青层疲劳破坏。     

基于耗散能评价沥青混合料的疲劳性能

疲劳开裂是由交通荷载重复作用而导致破坏累积的过程,是沥青路面结构破坏的一种主要形式.弯曲疲劳发生的典型模式是:水平拉应变造成沥青混凝土层底部的微裂缝,然后经由重复荷载作用致使微裂缝向上发展,最终导致路面破坏.常用的沥青路面疲劳特性的研究方法有现象学法、断裂力学法和耗散能法.为用不同的耗散能统计指标评价混合料的抗疲劳性能,在不同的加载条件和作用环境下进行两点梁弯曲试验,同时研究了混合料的一些特性,包括劲度模量、耗散能、疲劳寿命和愈合效果.     

基于三维黏弹有限元法的沥青路面结构力学响应分析

为探究沥青路面在荷载作用下力学响应,基于辽宁省沥青路面足尺加速加载试验,开展路面结构力学仿真方法及力学响应特征研究。采用光纤光栅传感器实测足尺加速加载路面的面层底部、基层底部和路基顶面的力学响应。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了基于实测参数的典型半刚性基层沥青路面三维黏弹有限元仿真模型,分析路面结构在不同加载位置下的力学响应,并与加速加载实测结果对比,验证模型的可行性;同时,对路面结构内部的力学响应规律进行分析。结果表明:所建立的仿真模型能较合理地模拟路面结构内部力学响应;沥青混合料黏弹特性导致弹性后效,使力学响应曲线表现出非对称特点。对于沥青层,中面层和下面层上部剪应力和剪应变较大,为车辙发生的薄弱部位;对于沥青层底、水泥稳定碎石层底,控制疲劳开裂的力学响应为水平纵向拉应力和拉应变。     

基于力学分析的隧道复合式路面设计指标

基于ABAQUS三维有限元分析方法,构建了矩形荷载作用下的隧道复合式路面力学分析模型,计算了不同沥青层厚度、沥青层模量、水泥混凝土层厚度、基岩模量、荷载大小以及层间接触状况等参数下的复合式路面结构响应,分析了复合式路面结构组合、材料性质与荷载参数对复合式路面力学特征的影响,提出了隧道复合式路面设计关键控制指标,以期为复合式路面结构设计提供理论依据。     

永久性沥青路面试验路力学响应分布的数值仿真

为解决重载交通和复杂环境条件耦合作用下路面结构力学响应计算与实际不符的技术难题,采用永久性沥青路面试验路实测交通荷载、路面结构温度场和力学响应数据,分别构建轴载、路面温度场参数概率分布函数和基于轴载、温度变量的沥青层底最大应变力学响应回归模型。在此基础上,用计算机编程语言基于蒙特卡罗模拟法设计出参数抽样和沥青路面力学响应概率分布程序,建立了针对轴载、温度场参数离散型分布和正态分布特点的随机变量抽样方法,实现了参数输入和基于全年交通组成与温度变化周期的沥青路面力学响应分布的模拟仿真。结果表明,模拟的力学响应分布与工程实测结果一致,均近似服从正态分布。研究证明了通过蒙特卡罗模拟可揭示路面结构在荷载和温度耦合作用下的力学响应规律。