交通荷载下沥青路面结构动力响应理论研究

采用移动荷载下黏弹性层状体系动力学模型，分析加厚式半刚性基层结构、改进型半刚性基层结构、倒装式路面结构和全厚式路面结构等4种典型沥青路面结构在标准荷载工况和超载100％工况下的动力响应，研究各种路面结构之间差异．结果发现，面层底部水平剪应变对路面结构使用寿命影响最为严重．     

半刚性基层模量衰减对沥青路面结构力学行为的影响

针对目前重载车辆、高性能材料和大厚度结构层的广泛应用,结合半刚性基层在使用过程易出现裂缝导致适应性受到质疑的现象,通过分析不同荷载和半刚性基层材料模量变化时的路面力学行为,研究路表弯沉、层底拉应力、拉应变和剪应力、剪应变的变化,提出了后续运营中当半刚性基层受损后,路面结构仍然保持稳定的基层模量范围,更接近路面实际情况,为设计时考虑基层受损状态而确定材料模量提供理论依据,增强了半刚性基层的适应性.分析结果表明:不同荷载作用下,若半刚性基层受损出现模量衰减,模量在1200~2000MPa之间,面层力学行为和底基层力学行为处于稳定状态;模量在1 200~1 600 MPa之间,半刚性基层即使受损也不会影响其正常使用,此时路面结构整体仍处于稳定状态.     

层间接触状况对半刚性基层沥青路面性能的影响

通过建立典型半刚性路面结构的三维有限元模型,采用柔性夹层模拟不同的层间约束条件,研究了路面结构在不同荷载下的受力状态,包括不同结构层的应力、应变及路表弯沉.结果表明层间条件从连续到光滑的变化导致路面结构的应力应变急剧增大;层间条件越连续半刚性基层沥青路面的使用寿命越大,反之,半刚性基层沥青路面的使用寿命越小.     

基于室内结构试验的半刚性基层开裂数值仿真

为获得半刚性基层沥青路面结构的力学参数并分析其变化规律,设计并修建了大尺度半刚性基层沥青路面结构室内试槽,采用逐级加载方法进行结构内部应力、应变和模量的分层检测与试验.在试验数据的基础上,建立道路三维有限元模型,验证模型正确后进行了承载板数值仿真试验,分析了超载引起的半刚性基层开裂位置、起裂荷载、裂缝状态、应力强度因子和裂缝类型等问题.结果表明:当交通荷载超过起裂荷载时基层裂缝开始出现,沿路面横向基层层底靠近承载板中轴线位置的单元首先开裂,裂缝在行车荷载作用下进一步向上扩展而形成基层横向裂缝;半刚性基层荷载型开裂主要以I型张开型裂缝为主,应力强度因子大小取决于施加的荷载大小、裂缝长度和模型几何尺寸,应重点从合理设计基层厚度、改进基层材料性能和严格控制超载几个方面减少半刚性基层裂缝的产生.     

沥青路面合理结构厚度研究

为了确定沥青路面合理结构厚度,分析研究了沥青路面的半刚性基层厚度或粗粒式沥青混凝土上基层(即粗粒式沥青混凝土下面层)厚度与结构疲劳损伤之间的关系,选择了两种典型高速公路常用沥青路面结构和以往较成功的路面结构及参数,应用SHELL公司Basir3.0程序计算在标准轴载作用下不同路面结构厚度的路表理论弯沉、粗粒式沥青混凝土层底面理论弯拉应力、半刚性基层底面理论弯拉应力和半刚性垫层底面理论弯拉应力,计算分析得到路面结构的合理厚度;并进行了经济分析.     

动态载荷下半刚性路面应力分析

针对半刚性路面的特点,依据弹性层状体系理论,将半刚性路面的沥青层、半刚性基层、半刚性底基层及土基层按线弹性来考虑,建立了半刚性路面的三维有限元分析模型,采用ANSYS有限元分析软件分析了动态荷载下半刚性路面的应力特性。结果表明,路面的疲劳破坏是动载引起的水平应力、横向应力和垂直应力共同作用的结果,水平应力的交变变化是使路面产生疲劳破坏的主要因素。在一定的车速下,随着载荷的增加,半刚性底基层底部的最大水平拉应力增大;在一定的载荷下,随着行车速度的提高,半刚性底基层底部的最大水平拉应力减小,提高行车速度可以减小路面的损伤程度。     

加速加载条件下沥青路面结构动力响应

为深入了解交通荷载作用下不同沥青路面的行为特征,通过MLS66加速加载设备模拟实际车辆作用,实测了半刚性基层结构与倒装结构路面的3个方向动态响应,研究了正载与偏载时面层与基层底部的应变响应规律。实测应变显示:半刚性路面中基层底部拉应变大于面层。倒装结构面层底部弯拉应变大于半刚性路面,对荷载作用次数更加敏感。倒装结构中最大拉应变出现在面层底部纵向,疲劳开裂首先在横向出现。2种结构的面层应变响应均体现了沥青混合料的黏弹性特征。不同轴载下应变测值表明,考虑超载车辆对路面结构作用时,应选用接地压力作为参数进行计算。基于MLS66的路面结构动力响应研究,为理解不同路面结构的破坏现象提供了帮助。     

既有半刚性基层沥青路面大修处治策略

为了科学地进行高等级公路既有半刚性基层沥青路面结构大修处治策略,利用Abaqus有限元软件建立路面结构分析模型,分析了路面结构层参数对半刚性底基层抗疲劳寿命的影响,并应用北京市高速公路典型路段的实际数据对计算结果进行了工程验证分析,提出了既有半刚性基层沥青路面大修处治策略.研究结果表明:基层厚度、底基层厚度、面层厚度、交通荷载大小对半刚性底基层疲劳寿命的影响较为显著,路基模量和底基层模量的影响次之,面层模量和基层模量等路用材料刚度的影响相对较小.高速公路实际应用状况也表明:沥青路面首次大修年限与沥青面层总厚度的相关性相比路面结构总厚度更加显著,较厚沥青面层的路面结构具有较长的使用寿命;材料模量出现一定衰变,并不影响路面结构的耐久性基础,旧路结构通过加铺增加面层厚度,在不进行全面翻修改造的情况下,仍可以使路面结构具有充足的耐久性,延长其使用寿命.     

具有柔性基层的半刚性沥青路面三维模型计算

根据实验资料,充分考虑级配碎石层的材料性质,建立了具有级配碎石基层的半刚性沥青路面结构的三维计算模型。分析表明:塑性突出的级配碎石层能优先于沥青面层和半刚性基层吸收路面结构在荷载作用下产生的应变能,从而提高了结构的抗裂及抗疲劳性能;级配碎石层能显著改善路面结构的力学性质,合理的设计能改善路面的使用性能,延长其使用寿命。     

动载作用下半刚性沥青路面瞬态响应分析

为了研究车辆行驶作用下半刚性基层沥青路面的力学响应规律,采用大型有限元分析软件ANSYS12.0,基于实测荷载图式建立了非均布竖向移动荷载下层间有限粘结的弹性体系模型,探讨了动载作用下半刚性沥青路面竖向位移、各向应力和应变的瞬态动力响应规律。结果表明:通过实测轮胎接地面积计算得到折减系数为0.82,进而得到更为精确的荷载响应结果;荷载移动过程中,半刚性沥青路面的水平拉应力和拉应变的最大值并非出现在基层层底,路面各层计算点会出现交替受压或受拉现象;进行路面结构分析时,应通过控制行车方向的应力和应变满足水平方向的力学响应要求。     

移动荷载下半刚性基层沥青路面剪应变研究

为了研究半刚性基层沥青路面早期破坏现象,采用移动荷载下黏弹性层状体系动力学模型,分析典型路面结构的动力响应,研究轴重、速度和胎压对面层底部剪应变和面层内部剪应变分布的影响.结果发现,随着轴重和胎压的增加,当速度减小时,面层内部剪应变和面层底部剪应变均增加;轴重较小时,车辆对路面产生的破坏主要发生在上中面层,而轴重较大时,产生的破坏主要发生在中下面层;胎压的变化对2~8 cm深度范围内的剪应变影响严重,随着胎压的升高,出现最大剪应变的深度位置减小.     

沥青路面结构足尺力学响应实测与仿真

为探究沥青路面在荷载作用下力学响应,通过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,利用单轴压缩动态模量试验获取沥青混合料的粘弹性参数,通过FWD弯沉盆反算得到基层及土基的弹性模量,利用接触痕迹得到轮胎的接触面分布;通过单轴压缩动态模量试验及四点弯曲动态模量试验对传感器进行了标定.在此基础上,采用有限元软件ABAQUS建立基于实测参数的路面结构力学仿真模型,分析路面结构在不同加载位置和速度下的力学响应,并与实测结果进行对比.结果表明:所建立的路面力学仿真模型能较合理地模拟沥青层底三向应变、半刚性材料层底纵向、横向应变以及土基顶面的压应力.沥青混合料粘弹特性导致弹性后效,使力学响应曲线表现出非对称特点.随着温度的增加和加载速度的减小,沥青层底三向应变、半刚性基层底的水平应变以及土基顶面压应力的响应幅值增加.     

基于横观各向同性倒装式沥青路面结构分析

基于所建的横观各向同性层状弹性体系解,分析了碎石材料横观各向同性特性对倒装式沥青路面结构的影响,分析结果表明,随着碎石材料水平模量的减小,路表弯沉和沥青层底拉应变是增加的,而半刚性基层底部拉应力和路基顶部压应变却是减小的。沥青面层的厚薄较为严重地影响路表面弯沉、沥青层底拉应变和路基表面压应变,碎石材料的横观各向同性特性对于稍厚一点的沥青面层的路面结构影响不是很大。     

非均布动载荷下沥青路面粘弹性有限元分析

为探求水平力对路面力学响应的影响,按照粘弹性层状体系理论,采用ANSYS软件建立半刚性基层沥青路面有限元分析模型,分析了非均布动载荷下路面的力学响应,与只有垂直力作用下路面力学响应相比,水平力和垂直力共同作用下沥青面层的弯沉增大,各层尤其是沥青面层的正应力增大,沥青面层的剪应力及应变增大,在路面动载响应的研究中加载水平力是必要的。     

长寿命半刚性基层沥青路面的计算分析

选取半刚性基层沥青路面典型结构,对不同轴载下半刚性层底拉应力的分析发现,典型结构仅适合于超载不严重的交通状态.对混合式沥青路面结构沥青层底拉应变和半刚性层底拉应力进行了计算,得到同时满足沥青层和半刚性层不受疲劳破坏时的沥青层厚度,与国外长寿命路面设计软件PerRoad2.4的计算结果相比,混合式长寿命路面结构更具有经济性.     

具有柔性基层（级配碎石）的半刚性沥青路面设计方法的研究

级配碎石材料在荷载作用下存在一定的塑性变形，这种塑性变形在实际道路上表现为在车辆荷载作用下的路表车辙，本文在吉林通化试验路提出的具有柔性基层(级配碎石)的半刚性沥青路面结构半刚性基层的合理厚度范围的基础上，通过弹塑性有限元的计算，提出采用路表车辙(塑性变形)和沥青下面层层底拉应变控制级配碎石层的厚度来进行具有柔性基层(级配碎石)的半刚性沥青路面结构的设计方法。     

采用离散元法分析路面结构的疲劳特征

为了在考虑疲劳损伤和恢复性能的基础上,获取路面结构在重复荷载作用下的疲劳特征,采用离散元方法建立了路面结构模型,并分析了在正弦重复荷载作用下路面结构沥青层底部的受力特性.由于路面荷载的随机性,分别以荷载大小、荷载间歇时间、荷载作用次序为考察对象,分析其对路面结构沥青层底受力特征的影响.研究结果表明:随着周期荷载作用次数的增大,沥青层底部拉应力快速增大至某一基础值,并在此基础值附近呈周期性波动,拉应变则在以一定幅值波动的同时,呈现整体水平先急剧增大后缓慢增大的规律;延长荷载作用的间歇时间,虽然一定程度上增大了拉应力和拉应变的波动幅值,但却显著降低了沥青层底拉应力和拉应变的整体水平;不同的荷载作用次序在沥青层底引起的应力应变状态不同,从小至大序列的荷载对沥青层造成的损伤明显小于从大至小序列的荷载.     

基于层间功能层的水泥混凝土路面动态响应灰关联分析

通过动态分析有限元方法揭示了设置功能层的半刚性基层水泥混凝土路面结构在车辆动态荷载作用下各因素(面层厚度与模量、功能层厚度与模量、基层厚度与模量、地基模量以及行车速度)对力学响应的影响程度,采用灰色关联分析,对各因素的影响程度进行了定量分析,并通过回归分析得到了路面结构力学响应(面层弯沉差、面层底部拉应力、功能层顶部剪应力和基层底部拉应力)的计算公式,为设置功能层的水泥混凝土路面的结构设计和施工提供理论指导.