基于控制裂缝和车辙的半刚性基层沥青路面力学行为分析

针对目前重载车辆、高性能材料和大厚度结构层的采用,结合半刚性基层沥青路面在使用过程中出现的裂缝和车辙,通过分析不同荷载情况下半刚性基层和沥青面层在改变厚度和模量时的路面结构力学行为,研究路表弯沉、层底拉应力、拉应变和剪应力、剪应变的变化,提出了可以减少路面裂缝和车辙的半刚性基层和沥青面层的厚度和模量范围,改善了路面结构层受力,增强半刚性基层在高等级路面结构中的适应性。分析结果表明:控制裂缝为目的时,沥青面层厚度宜选用17~24cm,半刚性基层厚度宜选用35~50cm;沥青面层模量不宜大于2 500MPa,半刚性基层模量宜在1 400~2 500MPa;控制车辙为目的时,沥青面层厚度宜选择16~25cm,模量宜为1 800~3 000MPa,半刚性基层模量宜为1 600~3 000MPa。     

基于半刚性层模量衰变路面疲劳寿命分析

半刚性路面在使用过程中半刚性基层材料的强度是不断衰减的,为正确预估路面的疲劳寿命,以半刚性基层材料模量衰减为切入点,根据层状弹性体系理论,建立路面结构力学模型,分析模量衰减对各路面结构层疲劳寿命的影响,指出我国现行规范设计指标存在的一些问题,提出建议采用沥青面层层底拉应变和半刚性层层底拉应变两项设计指标。同时为避免路面早期破坏,应设法降低半刚性基层层底拉应力水平,提高半刚性材料的抗拉性能。     

设置柔性联接层刚性路面的力学性能分析

针对水泥混凝土路面面层与基层间接触状况不良及半刚性基层抗冲刷能力不足成为水泥混凝土路面病害主要成因的特点,在对传统路面结构存在的不足分析的基础上,构建了在层间设置柔性联接层的路面结构,并根据弹性力学理论,建立了路面结构3D模型,运用ANSYS有限元分析软件对该结构进行相关力学分析。分析结果显示,联接层厚度和模量变化对联接层和半刚性基层自身变形量影响显著,对面层板自身变形量影响不明显;联接层厚度变化对各结构层层底拉应力和剪应力影响显著,但其模量变化仅对面板和联接层层底的拉应力和剪应力影响显著,从而确定了联接层厚度和模量的低限值,且在实际应用中应充分考虑联接层材料的抗剪性能。     

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.     

半刚性基层材料动态模量的衰变规律

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.

     

级配碎石上基层沥青路面结构力学响应分析

目的 研究级配碎石上基层沥青路面结构力学响应规律,为级配碎石上基层沥青路面结构设计提供理论依据.方法 采用ABAQUS有限元分析软件,建立路面结构计算的三维有限元模型,通过改变级配碎石基层的模量和厚度,将半刚性基层沥青路面和级配碎石上基层沥青路面结构力学响应结果进行对比分析,并以此计算结果,从材料弯拉疲劳的角度,对级配碎石上基层沥青路面的疲劳寿命进行的分析.结果 级配碎石模量和厚度的变化对沥青面层的剪应力、层底拉应力,以及半刚性基层层底的拉应力都有不同程度的影响,建议级配碎石层厚度为12cm,模量值应选取350～500MPa进行设计.结论 只要合理设计级配碎石基层的厚度和提高模量,该种结构具有较好的应用前景.     

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。     

三轴移动载荷对半刚性路面性能影响分析

为研究多轴车辆移动载荷对半刚性路面性能影响规律,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考虑,建立了半刚性路面的三维有限元分析模型,分析了车辆三轴移动载荷对半刚性路面性能影响。结果表明,3轴载荷作用下路面应力变化与车辆轴数有关,当车桥依次驶过路面时,路面应力出现3次突变,沥青层三向压应力、半刚性基层和底基层的垂直压应力、横向拉应力和水平拉应力均增大,最大拉应力出现在半刚性基层和底基层结合处;前轴驶过时轮迹带中心区域各层的横向剪应力最大,后轴驶过时轮迹带边缘区域各层的横向剪应力最大,最大值出现在沥青层底部;中轴驶过时路面各层的水平剪应力最大,最大值也出现在沥青层底部。因此,设计路面结构时,半刚性基层和半刚性底基层应选取抗弯和抗拉强度较高的材料,并应加强沥青面层的抗剪强度。     

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。     

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.     

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。     

基层铺筑时施工车辆对石灰土底基层的力学影响分析

石灰土底基层的结构承载能力与养护时间密切相关.为探求基层施工期间,石灰土底基层在汽车轮作用下内部的力学行为、路面的损坏机理和类型,本文首先通过室内试验研究,获得了石灰土不同龄期的各种路用性能.然后利用Bisar3.0程序计算出龄期、施工车辆轴载、水平荷载等各种因素作用下,弯沉、层间剪应力和层底拉应力等力学指标变化规律,这对改善半刚性基层沥青路面早期破坏现象具有一定的借鉴作用.     

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.     

沥青稳定基层路面结构的研究

高速公路半刚性基层沥青路面出现反射裂缝是非常普遍的现象,但沥青稳定柔性基层的试验路经两年观察无反射裂缝.对于沥青稳定基层结构的设置,根据国外研究资料并通过理论分析表明,适当增加基层厚度有利于减小层底拉应变,从而提高路面结构的耐疲劳性能.同时采取措施提高土基模量也能显著增强路面结构的承载能力.     

不同荷载与层间接触条件下沥青路面力学分析

利用BISAR 3.0程序,分析沪宁高速公路扩建工程的实体路面结构受力情况,得出不同荷载与层间接触条件下,路面结构拉应变、最大剪应力、竖向剪应力、拉应力的分布特征与变化规律,在此基础上,又分析了对路面使用性能的影响。结果表明：超载引起半刚性基层、沥青面层、底基层两个界面层间滑动,进而使整个路面结构受到破坏。     

车辆超载对沥青路面结构的影响分析

目的 研究了汽车超载对半刚性基层沥青路面结构的影响规律,为沥青路面设计与施工提供参考依据.方法 利用现行规范规定的计算方法 对3种典型路面结构在不同超载率的情况下进行分析.结果 路面超载100%时,高速公路、一级公路、二级公路三种路面结构只能使用大约475 d、511 d、365 d;当土基模量从20 MPa增加到80 MPa时,3种公路基层的层底拉应力平均降低了18%,底基层的层底拉应力平均降低了43%;轴载由100 kN增加到200 kN时.底基层的层底拉应力增加近1倍,底基层的厚度增加了31 cm,大约为标准轴载作用下基层厚度的1.5倍.结论 数值计算表明随着超载率的增加,标准轴次换算系数明显增加;车辆超载使累计标准轴次大大增加,导致路面使用寿命明显缩短;随着土基模量值的加大.结构层层底拉应力值逐渐减小;要使重载作用下路面结构的使用寿命达到标准轴载作用下的使用寿命.应该增加路面结构层的厚度.     

沥青路面表面裂缝扩展分析

沥青路面早期裂缝的出现,降低了道路的使用年限.为了研究使用状态下沥青路面表面裂缝的扩展行为,基于断裂力学理论,应用有限元软件ABAQUS,分析了移动荷载下裂缝应力强度因子K11的变化规律,研究了不同裂缝开裂深度和不同的层间摩擦接触状况下的路面响应,并探讨了面层厚度、面层和基层模量等路面结构参数对裂缝扩展的影响.为半刚性基层沥青路面的合理化设计和沥青路面的维修养护提供一定的理论参考.     

贫混凝土基层疲劳特性研究

贫混凝土用于路面基层时,由于受到荷载应力和温度应力的反复作用,需研究其疲劳特性.通过分析室内小梁弯拉疲劳试验结果,得出贫混凝土的疲劳寿命服从双参数威布尔分布,据此建立了不同应力水平和等效应力水平下两种形式的疲劳方程.通过对比,得出贫混凝土的疲劳性能优于其他常用半刚性基层材料.利用得出的疲劳方程,建立贫混凝土作为水泥混凝土路面下面层荷载应力计算的疲劳应力系数,以及作为沥青路面基层时,进行层底弯拉应力验算的弯拉强度结构系数.