动荷载作用下沥青混凝土路面动水脉冲压力的研究

摘要

科技的进步给人们带来的除了生活上的便捷，还有一些负面的影响。汽车已经非常普及了。有调查显示，到14年中国汽车保有量为1.3亿辆，平均10人拥有一辆汽车。同时，公路等级的提高导致的车速的提升以及车辆大型化及重载车的不断增加，如何避免路面病害成为越来越多人关注的焦点。正所谓防病害先治水，沥青路面的第一大病害就是水损坏，沥青混凝土路面的水损害是水与车辆荷载共同作用所造成的结果。
　　本文旨在研究在动荷载作用下，沥青混凝土路面内部动水压力的规律情况。首先介绍了沥青混凝土面层动水压力的形成及应力分析，进而介绍多孔介质理论，将多孔介质理论引入沥青混凝土，并认为沥青混凝土的渗流状态符合达西渗流定律，从而建立起沥青混凝土路面的饱和-非饱和渗流模型。以师兄之前研发的室内变水头渗透仪为基础，通过渗流实验，获得了沥青混凝土在不同孔隙水平下的渗透系数，分析孔隙率与渗透系数之间的关系，分析各种因素对沥青混凝土渗透性能的影响。最后通过实验采集的数据，使用ABAQUS有限元软件对降雨入渗的渗流场进行仿真模拟。特别是本文借鉴非饱和土力学的基本概念，认为在降雨初期及雨停后沥青混凝土路面其实是处于一个非饱和状态下的入渗及排水问题。
　　本文主要结论如下:
　　①通过对动水压力和滑水现象的分析及动水压力的理论计算，得出动水压力与行车速度的平方成正比，也就是随行车速度呈级数增长。
　　②对间断级配的SMA-13、连续级配的AC-16与AC-20试件进行渗透试验，实验结果表明:孔隙率低于7％时，试件基本不漏水，空隙率高于8％时，间断级配的SMA-13的渗透系数要高于连续级配的AC-16而低于连续级配的AC-20，从这可以看出渗透系数的大小跟级配类型、骨架结构和和最大粒径有关，细集料越多，混合料空隙被填充得越多，空隙率也就越低。另一方面，最大粒径也是影响空隙率的一大因素，最大粒径越大，之间形成的空隙率越大。所以随着最大公称粒径的增加，混合料的渗透系数相应增大。
　　③面层的压实情况对雨水的入渗影响最明显，压实度的降低显著加快路面及路基内部水的入渗，使得大量的雨水进入路基路面。所以压实度的保证对防止雨水进入路面至关重要。
　　④通过ABAQUS有限元软件来模拟降雨入渗过程中路面结构内部的变化过程，分别模拟了竖向应力分布，土壤的等效塑性应变分布，孔隙压力分布，当降雨开始后，沥青路面结构随着降雨时间的增加，路面内部结构发生显著变化，竖向应力、土壤的等效塑性应变、孔隙压力都随着降雨的持续迅速增大，若与车辆荷载耦合，对路面结构将造成破坏性的影响

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的

1．2 项目研究的背景与意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 多孔介质理论的现状

1．2．2 沥青面层的渗透性的研究的现状

1．3．3 沥青面层孔隙水压力的研究

1．4 主要研究内容

第二章 沥青混凝土面层动水压力的形成及应力分析

2．1 动水压力的产生及滑水现象的分析

2．1．1 动水压力的产生及滑水现象

2．1．2 滑水现象动水压力的分析

2．2 动水压力的理论计算

2．3 模拟测量动水压力

2．4 沥青面层水损害的影响原因

2．5 本章小结

第三章 多孔介质理论及沥青混合料的渗流性

3．1 多孔介质理论

3．1．1 多孔介质的定义

3．1．2 多孔介质的孔隙性

3．1．3 多孔介质的压缩性

3．1．4 非饱和多孔介质的基本性质

3．2 沥青混凝土的多孔介质特性

3．3 饱和多孔介质的基本定律(原理)

3．3．1 饱和多孔介质的有影响力原理

3．3．2 达西定律

3．4 沥青面层渗水性分析

3．4．1 降雨入渗的物理过程

3．4．2 沥青面层的渗水方式

3．4．3 沥青面层渗水的机理

3．4．4 减少沥青面层渗水危害的防治措施

3．5 本章小结

第四章 沥青混凝土渗透性实验研究

4．1 试件的制备

4．1．1 试件类型的选择

4．1．2 SMA及AC混凝土的特点

4．1．3 沥青混合料的级配类型

4．2 试件空隙率及渗透系数的测定

4．2．1 空隙率的测定

4．2．2 渗透系数的测定

4．2．3 空隙率与渗透系数的关系分析

4．3 本章小结

第五章 有限元数值模拟

5．1 ABAQUS软件简介

5．1．1 ABAQUS总体介绍

5．1．2 ABAQUS的主要分析功能

5．1．3 ABAQUS的主要模块

5．2 沥青混凝土路面降雨入渗模型的建立

5．2．1 降雨入渗模型的建立

5．2．2 渗透系数及各参数的确定

5．2．3 边界条件

5．3 降雨入渗条件下沥青路面构造渗流场有限元研究

5．3．1 竖向应力分布研究

5．3．2 土壤的等效塑性应变分布研究

5．3．3 孔隙压力分布研究

5．4 本章小结

第六章 沥青混合料的剥落机理

6．1 沥青与集料之间的吸附作用

6．2 沥青混合料的粘附性

6．3 沥青面层在渗流场-应力耦合的作用下的破坏

6．4 沥青面层水损害防治措施

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和参与的科研项目