黄河冲积平原区高速公路路基强度衰减与路面结构特性研究

摘要

黄河冲积平原区大面积的分布有黄河冲积粉土，这是我国特有的一种土质，这些地区很难以其它筑路材料作为路基替代填料。山东是我国开始建设高速公路较早且里程较长的省份，也是典型的黄河冲积平原粉土分布地区。该粉土土基是一种容易失稳的土基，易产生路基路面病害，这些病害的过早出现严重影响了公路的使用性能和使用寿命。黄河冲积平原区高速公路的路基强度衰减造成的路面早期病害与路面大修加铺改造问题十分突出，因此，围绕该问题开展相关研究显得十分必要和迫切。 本文从黄河冲积平原区路面结构早期破坏严重的实际问题出发，通过对多条道路的路面病害、路基不均匀沉降及路基含水量分布状态等问题进行较充分的现场调查与研究，在室内外试验及数值计算分析的基础上，揭示了黄河冲积平原区半刚性基层沥青路面在正常荷载条件下早期结构性损害依然发生的原因，主要是由于路基含水量变化引起的路基强度衰减及不均匀沉降造成，而重载交通则加剧了病害的发展速率和幅度。基于该地区沥青路面结构的这一工程特点，本文针对大修改造典型结构的选择，提出了对上部路面结构优化的要求、依据及应采取的措施。在对地基与路基进行相应的病害预防与处治的前提下，从功能性角度和结构性角度初步探讨了适合的大修加铺特殊结构，提出基于路基强度衰减下的路面结构设计思想，选取了“复合式”基层结构来控制沥青路面结构早期病害的发生，并通过数值分析与计算对这一新型路面结构进行了验证。 首先，本文通过大量的室内外试验，如现场含水量测试、室内回弹模量测试、渗透规律测试、抗剪强度指标测试等，系统研究了黄河冲积平原区击实粉土的土质特性以及在不同水分来源时的渗透规律，揭示了击实粉土的强度(模量)变化规律：其次，本文采用Bisar计算程序，计算分析了路基强度衰减、重载交通两种因素对半刚性基层沥青路面结构力学指标的影响，提出路基强度衰减对基层层底拉应力影响最大的观点。同时，计算分析了两种因素联合作用下对基层疲劳寿命的影响规律，从而揭示了黄河冲积平原区路面结构使用寿命短的主要原因；第三，现场实测了黄河冲积平原区路基不均匀沉降规律，提出不均匀沉降沿横向分布为近似抛物线分布规律，沿纵向主要分布在桥头连接处路段。基于有限元软件Ansys，选取典型路段，基于平面应变假定，分别分析了横向不均匀沉降和纵向不均匀沉降对路面结构受力的影响，分析说明半刚性基层沥青路面结构对横向不均匀沉降非常敏感。建立三维有限元模型，分析了实际不均匀沉降对路面结构的影响：最后，综合考虑由于路基强度衰减与不均匀沉降的影响导致的传统半刚性路面结构难以适应黄河冲积平原区粉土路基的特点，提出了“复合式基层”路面结构的设计思路，并以级配碎石层和大粒径透水性沥青混合料(LSPM)结构层为例，采用数值模拟手段，分析了该类复合式基层路面结构对路基强度衰减、不均匀沉降及重载交通的适应性，从而为该地区旧路大修改造的路面加铺层结构新的典型结构形式提供了相应的理论依据与支持。 总之，本论文在黄河冲积平原区高速公路路基强度衰减与路面结构特性方面所做的研究工作，对我国的公路工程建设与维护将有着重要的理论和实践意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究概况

1.2.1黄河冲积平原区土质特性

1.2.2高速公路沥青路面病害类型及成因

1.2.3粉性土路基强度衰减规律

1.2.4路基不均匀沉降及对路面结构的影响

1.2.5粉土路基路面病害防治技术

1.3主要研究内容和技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

第二章黄河冲积平原区土质特性及沥青路面典型病害特征

2.1引言

2.2黄河冲淤积粉土的物理力学特性

2.2.1黄河冲淤积粉土的形成及分布

2.2.2粉性土的微观结构

2.2.3黄河冲淤积土颗粒组成特性

2.2.4黄河冲淤积土的物理力学指标

2.3粉性土的压实性状

2.3.1试验材料

2.3.2标准击实条件下粉土的压实性状

2.3.3击实功对土的压实的影响

2.3.4粉土的粘粒含量对土的压实的影响

2.4粉性土毛细水上升试验

2.4.1早季路基土内部含水量分布规律及力学指标

2.4.2毛细水上升高度

2.5黄河冲积平原区道路病害类型调查分析

2.5.1济聊路路况调查

2.5.2东港路路况调查

2.5.3路面裂缝成因分析

2.5.4路面水损坏

2.5.5路基病害成因分析

2.6本章小结

第三章黄河冲积平原区路基强度衰减规律研究

3.1路基水分的来源

3.1.1路基水分主要来源分析

3.1.2路基水分来源试验

3.1.3现场实测路基含水量分布

3.2路基强度随含水量变化的衰减规律试验

3.2.1试验内容与试验方法

3.2.2试验结果

3.3本章小结

第四章路基强度衰减对半刚性路面结构的影响

4.1面层厚度不同的路面结构力学响应分析

4.1.1计算工况的确定与计算参数的选取

4.1.2路面结构层各层位的力学响应

4.1.3路面基层的疲劳寿命分析

4.2基层刚度不同的路面结构力学响应分析

4.3提高路基强度的的路面结构力学响应分析

4.3.1提高路基强度对基层层底弯拉应力的影响

4.3.2基层疲劳寿命分析

4.4本章小结

第五章路基不均匀沉降对半刚性路面结构的影响

5.1半刚性基层沥青路面结构有限元模型的建立

5.1.1有限元计算原理简介

5.1.2基本假定

5.2路基横向不均匀沉降对半刚性路面结构的影响

5.2.1路基横向不均匀沉降规律

5.2.2简化计算模型的建立

5.2.3横向不均匀沉降对路面结构的影响

5.2.4横向不均匀沉降与车载联合作用的影响

5.2.5旧路强度衰减、横向不均匀沉降与车载联合作用的影响

5.3路基纵向不均匀沉降对半刚性路面结构的影响

5.3.1实测路基纵向不均匀沉降规律分析

5.3.2路基实际纵向不均匀沉降的拟合曲线

5.3.3纵向不均匀沉降的参数敏感性分析

5.3.4纵向不均匀沉降与车载联合作用的影响

5.3.5旧路强度衰减、纵向不均匀沉降与车载联合作用的影响

5.4三维不均匀沉降对半刚性路面结构的影响

5.4.1沉降曲面的合理确定

5.4.2三维不均匀沉降对路面结构受力特性的影响

5.5本章小结

第六章黄河冲积平原区道路病害防治与路面结构改进

6.1粉土路基路面病害防治措施与复合式基层简介

6.1.1粉土路基病害防治措施简介

6.1.2半刚性基层沥青路面结构病害防治措施简介

6.1.3复合式基层沥青路面结构的代表类型及特点

6.2基于路基强度衰减条件下复合式基层路面结构应力分析

6.2.1级配碎石复合式基层(结构一)受力特征

6.2.2 LSPM复合式基层(结构二)受力特征

6.3基于路基不均匀沉降的复合式基层结构应力分析

6.3.1路基横向不均匀沉降对复合式基层路面结构受力特性的影响

6.3.2路基纵向不均匀沉降对复合式基层路面结构受力特性的影响

6.4黄河冲积平原区粉性土路基加铺结构推荐

6.5本章小结

第七章结论与建议

7.1主要结论

7.2主要创新点

7.3进一步研究的建议

致谢

参考文献

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