水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究

摘要

旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝防治问题是道路改建工程中的一个世界性难题。本文从旧水泥混凝土路面结构性能模拟入手，建立了旧水泥混凝土路面沥青加铺层的三维、二维力学分析模型，应用有限元方法详细分析了沥青加铺层在温度变化(温度梯度、降温)和交通荷载作用下的结构应力变化规律和表征方法，讨论了夹层材料对结构应力的影响，研究了沥青混合料的松弛效应，阐明了沥青加铺层的反射裂缝形成机理，主要研究结论如下：(1) 模拟旧水泥混凝土路面板的挠曲性状，建立了接缝传荷、地基强度和地基强度不均匀性与路面板弯沉特征之间的关系，为沥青加铺层结构应力分析提供计算参数，为制定旧水泥混凝土路面处治标准和方法奠定基础。(2)应用三维 (二维)有限元技术详细分析了旧水泥混凝土路面沥青加铺层的温度应力、荷载应力变化规律，以截面内力和应力集中系数表征结构应力，给出了截面内力、应力集中系数的回归关系式，以及层间接触刚度修正系数的诺模图。(3) 以全国各地气象资料为基础，讨论了沥青加铺层降温作用下的松弛效应，通过引入当量松弛模量系数的概念，较好地解决了不同温度状况下的沥青加铺层模量取值。(4) 深入分析了温度应力、荷载应力综合作用下的反射裂缝产生机理，提出了沥青加铺层应力极限状态方程，给出了反射裂缝的产生图式、相应的防治对策及其适用范围。(5) 构建了旧水泥混凝土路面沥青加铺层厚度设计方法，并应用于京珠高速公路粤境广韶段水泥混凝土路面改建工程中防治反射裂缝措施的选择和沥青面层厚度设计。研究成果对加深旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝产生机理的认识，提升我国旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的防治水平具有重要意义。关键词：水泥混凝土路面，弯沉特征，沥青加铺层，反射裂缝，温度应力，荷载应力，夹层材料，应力松弛，防治对策

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1反射裂缝产生机理概述

1.2.2反射裂缝力学分析

1.2.3防治反射裂缝的措施

1.2.4加铺层设计方法

1.2.5对现有加铺层分析理论与设计方法的评述

1.3本文的研究内容及关键技术

1.3.1主要研究内容

1.3.2拟解决的关键技术

参考文献

第2章旧水泥混凝土路面结构模拟

2.1旧水泥混凝土路面状况

2.2适用沥青加铺层的条件

2.3路面板弯沉特征

2.4路面板理论弯沉特征

2.4.1理论弯沉特征一般式

2.4.2弯沉比λws和弯沉ws

2.4.3尺寸修正系数

2.4.4接缝传荷修正系数

2.4.5测点偏移对理论弯沉特征的影响

2.4.6温度梯度对弯沉的影响

2.5接缝剪切刚度

2.6地基强度

2.7地基强度局部不均匀性

2.7.1地基强度局部不均匀性模拟

2.7.2对接缝传荷修正系数的影响

2.8旧水泥混凝土路面结构性能模拟

2.9本章小结

参考文献

第3章沥青加铺层结构分析模型

3.1沥青加铺层破坏形式

3.1.1温度型反射裂缝

3.1.2荷载型反射裂缝

3.2沥青加铺层结构分析模型

3.2.1模型概述

3.2.2加铺层应力分析模型

3.2.3单元形式与层间接触处理

3.3沥青加铺层温度状况参量

3.4车辆荷载类型与作用图式

3.5三维模型单元划分与数值收敛性

3.5.1单元划分

3.5.2应力结果及其收敛性

3.5.3截面内力及其收敛性

3.6二维模型单元划分与数值收敛性

3.6.1应力数值及其收敛性

3.6.2截面内力及其收敛性

3.7三维模型与二维模型结果比较

3.8加铺层破坏过程讨论

3.9加铺层计算应力的平均处理

3.10本章小结

参考文献

第4章沥青加铺层温度应力分析

4.1计算参数

4.2结构参量对温度应力的影响

4.2.1面层模量影响

4.2.2面层厚度影响

4.2.3水泥混凝土板模量影响

4.2.4水泥混凝土板厚度影响

4.2.5水泥混凝土板长的影响

4.2.6地基反应模量影响

4.2.7接缝宽度影响

4.3夹层材料对温度应力的影响

4.3.1夹层接触刚度的影响

4.3.2夹层宽度的影响

4.4温度引起的破坏与防治

4.5沥青加铺层温度应力计算

4.5.1温度应力计算式

4.5.2截面轴力

4.5.3截面弯矩

4.5.4温度应力集中系数

4.5.5截面内力的板长修正系数

4.6温度应力层间接触刚度修正

4.7沥青加铺层温度应力叠加

4.8本章小结

参考文献

第5章沥青加铺层荷载应力分析

5.1计算参数

5.2最不利荷位和荷载

5.2.1最不利荷位

5.2.2移动荷载作用

5.2.3最不利荷载

5.3结构参量对荷载应力的影响

5.3.1面层模量影响

5.3.2面层厚度影响

5.3.3水泥混凝土板厚度影响

5.3.4水泥混凝土板尺寸的影响

5.3.5地基反应模量影响

5.3.6接缝宽度影响

5.3.7接缝剪切刚度的影响

5.4车辆荷载构型的影响

5.5夹层材料对荷载应力的影响

5.5.1夹层接触刚度的影响

5.5.2夹层宽度的影响

5.6地基局部强度不均匀性影响

5.7荷载引起的破坏与防治

5.8沥青加铺层荷载应力计算

5.8.1荷载应力计算式

5.8.2截面轴力

5.8.3截面弯矩

5.8.4荷载应力集中系数

5.9荷载应力层间接触刚度修正

5.10本章小结

参考文献

第6章加铺层温度状况及温度应力松弛

6.1沥青加铺层温度分布及其变化

6.2沥青加铺层温度状况

6.2.1加铺层温度状况预估模型

6.2.2路面结构温度场

6.2.3温度梯度和降温幅度

6.3沥青加铺层下旧水泥混凝土板温度梯度

6.4沥青加铺层下旧水泥混凝土板降温幅度

6.4.1气象资料

6.4.2面层与基层的降温幅度

6.5沥青混合料应力松弛效应

6.5.1沥青混合料的粘弹性行为

6.5.2沥青面层的累积温度应力

6.5.3累积温度应力的近似计算

6.5.4沥青面层累积温度应力变化规律

6.6沥青混合料的当量松弛模量

6.6.1当量松弛模量

6.6.2当量松弛模量系数

6.7本章小结

参考文献

第7章沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法

7.1反射裂缝形成的力学机理

7.1.1应力变化规律

7.1.2反射裂缝形成机理

7.1.3沥青加铺层结构临界点

7.1.4沥青加铺层极限状态方程

7.2反射裂缝图式和防治措施

7.2.1反射裂缝图式

7.2.2设置软夹层

7.2.3增加厚度和性能提升

7.2.4处治旧路面板

7.3沥青加铺层厚度设计方法

7.3.1设计准则

7.3.2温度应力计算

7.3.3荷载应力计算

7.3.4累计当量轴载作用次数

7.4沥青加铺层设计流程

7.5沥青加铺层设计方法应用示例

7.5.1工程概况

7.5.2旧水泥混凝土路面状况

7.5.3路面温度状况与防治反射裂缝措施

7.5.4沥青加铺层设计方案比较

7.5.5 AASHTO设计方法结果

7.6本章小结

参考文献

第8章结语

8.1本文的研究结论

8.2本文的主要成果

8.3有待进一步研究的工作

个人简历 在读期间发表的学术论文与科研成果

致谢