倒装式沥青路面结构的力学性能研究

摘要

中国目前已建成运营的高等级公路中，半刚性基层沥青路面结构形式是最为常见的，而半刚性基层随温度及湿度变化时极易产生收缩、开裂，沥青面层产生反射裂缝问题随之而来，并进而引发其它道路病害。同时，随着中国经济的高速发展，现代交通运输中交通量增大，轴载加重以及渠化交通等现象日益显著，路面结构内的力学响应也随之产生变化。而现行的公路设计规范尚存在一些不完善之处，比如未考虑到剪应力指标、沥青面层模量的梯度特性及荷载的非均匀分布特性等不容忽视的问题，从而导致许多路面的早期破损。鉴于此，设有级配碎石的倒装结构作为一种能有效减少反射裂缝的路面结构形式，能极大减小荷载作用下混合料内部的压力集中程度，推迟结构的破坏，而且级配碎石材料在进行合理结构设计的前提下，能较好地承受重交通荷载的疲劳作用。因此对其力学性能开展研究以期能使之得到推广应用，丰富中国的道路结构形式，有着重大的现实意义。本文利用有限元分析程序，主要从以下几个方面开展研究工作：
　　(1)基于线弹性力学理论，建立倒装式沥青路面结构的三维有限元模型，对倒装路面的结构设计进行了研究。得出了倒装结构在中国高速公路上的应用条件，其级配碎石防裂基层必须具有较高的强度，其模量应达到350Mpa以上。并得出了路面各结构层的适宜厚度。
　　(2)通过建立考虑沥青面层模量梯度变化的梯度模型，以及未考虑梯度特性的均质模量模型进行计算，对沥青路面在低温温度场，高温温度场以及低温老化作用下路面力学性能的差异进行了对比分析，最终得到力学响应的变化规律。
　　(3)在前面分析的基础上，根据轮胎胎面花纹类型的不同，提出接触面的简化模型，然后参考相关轮胎接地压力的实测结果提出接触面内的压力分布形式，建立非均布荷载作用下的路面模型，进而分析荷载的非均布特性对路面力学响应的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 倒装式沥青路面结构研究概况

1.2.1 倒装式沥青路面结构概述

1.2.2 国内研究概况

1.2.3 国外研究概况

1.3 沥青面层模量梯度特性研究概况

1.4 荷载非均布特性研究概况

1.5 本文主要研究内容及方法

第2章 有限单元法简介

2.1 有限元方法基本介绍

2.2 有限元方法基本理论

2.3 有限元方法分析过程

2.4 常用有限元软件简介

第3章 均布荷载作用下倒装式路面结构有限元分析

3.1 三维路面结构有限元分析模型

3.1.1 基本假定

3.1.2 有限元分析模型的建立

3.1.3 轮胎与地面接触形状及面积

3.1.4 水平方向均布荷载的确定

3.2 路面结构参数对剪应力分布的影响分析

3.2.1 沥青面层厚度对剪应力的影响

3.2.2 级配碎石层厚度对剪应力的影响

3.2.3 级配碎石层模量对剪应力的影响

3.2.4 水泥稳定碎石层厚度对剪应力的影响

3.3 荷载参数对剪应力分布的影响分析

3.3.1 车辆荷载超限对剪应力的影响

3.3.2 水平方向荷载对剪应力的影响

3.4 本章小结

第4章 考虑面层模量梯度特性的倒装结构有限元分析

4.1 沥青层模量梯度特性

4.1.1 沥青路面高温温度场及高温梯度特性

4.1.2 沥青路面低温温度场及低温梯度特性

4.1.3 沥青老化及其造成的路面梯度特性

4.2 梯度特性有限元模型的建立

4.3 模量梯度特性对路面弯沉的影响

4.4 模量梯度特性对沥青层底拉应力、拉应变的影响

4.5 模量梯度特性对水泥稳定碎石层底拉应力、拉应变的影响

4.6 模量梯度特性对路面剪应力的影响

4.6.1 不考虑水平方向荷载时面层剪应力分析

4.6.2 考虑水平方向荷载时面层剪应力分析

4.7 本章小结

第5章 非均布荷载作用下倒装式路面结构有限元分析

5.1 车轮接地压力的非均布特性

5.1.1 轮胎接地形状及面积

5.1.2 轮胎接地压力及分布规律

5.2 荷载非均布特性有限元模型的建立

5.3 荷载非均布特性对路面弯沉的影响

5.4 荷载非均布特性对沥青层底拉应力、拉应变的影响

5.5 荷载非均布特性对水泥稳定碎石层底拉应力、拉应变的影响

5.6 荷载非均布特性对路面剪应力的影响

5.6.1 不考虑水平方向荷载时面层剪应力分析

5.6.2 考虑水平方向荷载时面层剪应力分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢