高速公路半刚性基层沥青路面结构耐久性分析与设计

摘要

我国高速公路半刚性基层沥青路面早期破损问题比较严重，路表功能衰减过快、路面结构使用寿命难以达到设计要求，沥青路面结构耐久性问题还没有得到很好解决。当前和今后一个时期，我国高速公路建设仍将处于快速发展阶段，新建高速公路沥青路面如何减少早期破损发生、改善结构耐久性是必须研究解决的重大技术课题。 本论文以河北省高速公路沥青路面耐久性技术研究项目为依托，结合青兰高速公路(河北段)和邢临(邢台-临清)高速公路工程项目，开展的研究工作主要包括： 1.高速公路交通荷载特征研究。以2006年我国一般国道和国道主干线高速公路为样本，分析了我国高速公路现状交通量特征，包括交通量和各种车型比例构成。结合河北省青兰、京张和廊沧高速公路的货车轴载谱调查结果，对高速公路路面上作用的标准轴载作用次数进行了初步估算。分析表明，高速公路路面交通荷载特征因不同路线走向、不同城市节点区间，而存在明显差异，相同车型的换算当量轴次也不相同。 2.以华北地区三条国道主干线高速公路沥青路面为调查对象，通过路表病害调查和路面取芯，对高速公路半刚性基层沥青路面的破损模式及特征做了进一步分析。研究表明，沥青面层车辙和路面裂缝是半刚性基层沥青路面的两种主要破损模式。而且，半刚性基层的非荷载型裂缝对整个沥青路面结构的使用性能影响显著，容易诱发路面早期破损。高速公路半刚性基层沥青路面的结构疲劳开裂很可能是从无机稳定集料类半刚性基层开始。 3.应用连续弹性层状体系理论和有限元方法对带裂缝工作的半刚性基层沥青路面的荷载响应进行了分析。结果表明，无机结合料稳定集料层或碎石粒料层对整个路面结构的最大拉应力位置有着决定性影响。当半刚性基层沥青路面的基层分上、下两层设置时，最大拉应力出现在下基层。设置碎石层的沥青路面，最大拉应力常常出现在碎石层的上层。带裂缝工作的半刚性基层沥青路面有限元分析表明，下基层的裂缝对结构受力更为不利。 4.利用Miner疲劳损伤累积理论对五种结构组合的沥青路面结构疲劳寿命进行了分析，对于半刚性基层沥青路面，同时考虑了裂缝对疲劳寿命的影响。半刚性材料层对沥青路面整体疲劳寿命的贡献，表现为能够为上面结构层提供较强的支撑，减少了上层材料的拉应力水平，相应提高了疲劳寿命；沥青混合料层则发挥其良好的抗疲劳性能，尤其是应力水平较高时仍具有较高的疲劳寿命。如不考虑基层开裂的影响，半刚性基层沥青路面具备很高的疲劳寿命。但当半刚性基层开裂后，半刚性基层沥青路面疲劳寿命明显降低。将半刚性基层沥青路面的上基层改为沥青稳定碎石基层可以改善路面结构的疲劳耐久性。 5.提出了半刚性基层沥青路面结构耐久性设计的初步框架。建议从路表功能耐久性和结构疲劳耐久性两个方面改善半刚性基层沥青路面结构耐久性。一方面减少沥青路面的车辙等路表破损，另一方面降低基层裂缝对路面结构整体疲劳寿命的不利影响。对于半刚性基层沥青路面结构设计方法，建议考虑基层带裂缝工作的实际情况，通过模量折减或者引入裂缝处最不利应力(应变)计算公式等手段加以完善。 6.通过室内试验和铺筑试验路的手段，研究了沥青稳定碎石基层和高性能沥青面层用于改善半刚性基层沥青路面结构耐久性的适用性。将半刚性基层沥青路面的上基层用沥青稳定碎石材料替代，可以有效降低半刚性基层开裂对路面结构整体疲劳寿命的危害，路面结构耐久性得到改善。沥青下面层采用高性能的沥青混合料对减少反射裂缝扩展，改善路面性能也有一定的效果。 最后，简要讨论了半刚性基层沥青路面耐久性研究进一步工作的方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章序论

1.1研究背景和意义

1.1.1迅猛发展的中国高速公路

1.1.2我国高速公路沥青路面耐久性问题

1.2国内外研究概况

1.2.1沥青路面设计的力学—经验法

1.2.2车辆荷载对沥青路面的作用

1.2.3沥青路面破坏现象和机理

1.2.4沥青路面结构耐久性

1.2.5小结

1.3研究内容和技术路线

第2章我国高速公路交通荷载特征分析

2.1高速公路交通量特征分析

2.1.1一般国道网交通量特征分析

2.1.2国家高速公路网交通量特征分析

2.1.3小结

2.2高速公路车辆轴载水平分析

2.2.1道路车辆的轴载限制与超载现象

2.2.2路面结构设计中的标准轴载换算

2.2.3高速公路轴载水平分析

2.2.4轮胎接地压强调查

2.3本章小结

第3章高速公路沥青路面损坏模式调查

3.1我国高速公路沥青路面结构形式

3.2高速公路沥青路面早期破损模式调查

3.2.1石安高速公路沥青路面损坏调查

3.2.2京沪高速公路沥青路面损坏调查

3.2.3京秦高速公路沥青路面损坏调查

3.2.4高速公路半刚性基层沥青路面的损坏模式讨论

3.3本章小结

第4章带裂缝工作的沥青路面力学响应分析

4.1非均布荷载作用下沥青路面力学响应

4.1.1荷载模式

4.1.2路面材料特性参数及沥青路面典型结构选取

4.1.3路面分析计算程序

4.1.4计算结果分析

4.1.5小结

4.2带裂缝工作的沥青路面应力应变分析

4.2.1带裂缝的沥青路面分析模型

4.2.2计算结果分析

4.2.3讨论

4.3本章小结

第5章沥青路面疲劳分析与结构耐久性设计

5.1结构疲劳累积损伤的Miner理论

5.2半刚性基层沥青路面疲劳寿命分析

5.2.1沥青混合料和半刚性材料的疲劳特性

5.2.2沥青路面结构疲劳寿命分析

5.2.3带裂缝的半刚性基层沥青路面疲劳寿命分析

5.3半刚性基层沥青路面结构耐久性设计初步

5.3.1引言

5.3.2沥青路面结构耐久性设计初步框架

5.4小结和讨论

第6章应用沥青稳定碎石基层改善半刚性基层沥青路面耐久性

6.1引言

6.2沥青稳定碎石配合比设计

6.2.1沥青材料

6.2.2集料

6.2.3混合料最佳沥青用量确定

6.2.4不同试件成型方法的最佳沥青用量比较

6.3沥青稳定碎石路用性能试验研究

6.3.1高温性能

6.3.2水稳定性

6.3.3抗拉性能

6.3.4低温抗裂性能

6.3.5疲劳性能

6.4工程应用

6.4.1工程概况

6.4.2试验路工程实施

6.4.3试验路使用性能跟踪检测

6.5本章小结

第7章应用高性能沥青面层材料改善路面耐久性

7.1引言

7.2高性能上面层和中面层沥青混合料研究

7.2.1原材料试验

7.2.2混合料配合比设计

7.2.3混合料路用性能试验

7.2.4小结

7.3高性能沥青下面层试验研究

7.3.1原材料试验及混合料配合比设计

7.3.2混合料路用性能常规试验

7.3.3室内模拟反射裂试验

7.3.4冲击韧性试验

7.3.5疲劳试验

7.3.6小结

7.4工程实例

7.4.1试验路概况

7.4.2试验路性能检测

7.5本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2本论文的创新点

8.3本研究下一步的方向与展望

参考文献

致谢

个人简历在读期间发表的学术论文与科研成果