非均布垂直轮载作用下柔性基层沥青路面结构力学行为研究

摘要

随着发达国家柔性基层沥青路面的发展，结合自身国情与环境，我国相关机构逐渐将该类路面结构形式应用于高等级公路中。目前国内外沥青路面设计规范大多采用圆形均布荷载模拟车辆对路面结构的作用力，且假定各结构层间完全连续。然而，轮胎接地压力分布规律极其复杂，其接触面形状也并非圆形，而是接近于椭圆形、矩形，其作用力更是表现出明显的非均匀性，且沥青路面各结构层材料性质、施工工序、施工质量控制存在一定差异，导致层间粘结较为薄弱，无法达到理想的完全连续状态。
　　本文以传统沥青路面设计理论中关于轮胎荷载的假设条件为基础，结合轮胎接地压力的影响因素及已有研究中的实测结果，对轮胎接地压力的分布情况进行数值简化。针对本文的研究手段，详细剖析了三维有限元数值仿真软件EverStressFE。以上两部分理论分析均是为后文的数值计算作铺垫。
　　为描述轮载的非均匀性，运用三维有限元软件EverStressFE，建立了非均布垂直轮载作用下柔性基层沥青路面结构的有限元-无限元耦合数值模型，对比分析了不同轮载分布力作用下路表弯沉、路面结构剪应变、沥青层底弯拉应变、土基顶面竖向压应变的差异性，并讨论了非均布垂直轮载作用下影响柔性基层沥青路面结构寿命的控制指标。结果表明轮载非均匀作用对路表弯沉、路面结构剪应变的影响仅体现于局部区域，且对土基顶面竖向压应变的影响并不明显，行车方向的沥青面层底最大弯拉应变大于胎宽方向，路面结构预估寿命由永久变形控制。
　　基于实际轮载的非均匀作用，为研究面层-基层、基层-底基层两界面层间结合状况对柔性基层沥青路面结构的影响，采用三维有限元软件EverStressFE，计算分析了完全连续和完全连续两种极端层间结合状况下的力学响应，并对路面结构寿命在不同层间结合状况下的动态演变规律进行了深入探究。结果显示:层间结合状况对路表弯沉、路面结构剪应变及弯拉应变、土基顶面压应变均有不同程度的影响;而路面结构疲劳寿命及永久变形寿命在层间结合状况逐渐恶化的过程中呈非线性态势衰减，在该过程中，路面结构损伤模式在永久变形及疲劳开裂间变换，增大了设计、施工、养护的难度;层间结合状况对柔性基层沥青路面结构的影响较轮载的非均匀作用更显著，且二者相对独立。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 轮胎接地压力的非均布特性

1．2．2 沥青路面结构的层间结合问题

1．2．2 沥青路面结构的层间结合问题

1．3 国内外研究存在的主要问题

1．4 本文的研究内容及技术路线

第2章 传统沥青路面设计理论及轮胎接地压力分布特性

2．1 沥青路面设计理论

2．1．1 古典理论设计法

2．1．2 弹性半空间体理论

2．1．3 弹性层状体系理论

2．1．4 有限元数值分析方法

2．2 轮胎接地压力的影响因素

2．2．1 轮胎结构特性

2．1．2 轮胎胎面花纹

2．1．3 轮胎胎压

2．1．4 轮胎负荷

2．3 轮胎接地压力的试验测量

2．3．1 轮胎接地压力的试验测试方法

2．3．2 轮胎接地压力的试验测试结果

2．4 轮胎接地面的数值简化

2．5 本章小结

第3章 EverStressFE三维有限元软件剖析

3．1 EverStressFE软件简介

3．1．1 EverStressFE软件主要特点

3．1．2 EverStressFE软件计算及分析过程

3．2 EverStressFE中轮胎接地压力的仿真模拟

3．2．1 轮轴组合及荷载参数的拟定

3．2．2 胎面设计

3．2．3 编制轮载自定义文件

3．3 EverStressFE中层间结合状况的评价方法

3．3．1 层间界面单元的基本描述

3．3．2 界面劲度的定义

3．3．3 层间结合问题的求解及分析过程

3．4 本章小结

第4章 非均布垂直轮载作用下柔性基层沥青路面结构的三维有限元分析

4．1 有限元模型的构建

4．1．1 路面结构组合

4．1．2 车辆荷载参数及轮载分布形式

4．1．3 有限元网格剖分及边界条件

4．2 主要计算成果分析及讨论

4．2．1 路表弯沉

4．2．2 路面结构剪应变

4．2．3 沥青面层底部水平弯拉应变

4．2．4 土基顶面竖向压应变

4．3 路面结构寿命预估与对比

4．4 本章小结

第5章 非均布垂直轮载作用下层间结合状况对柔性基层沥青路面结构的影响分析

5．1 三维有限元模型的建立

5．1．1 轮胎接地压力分布形式

5．1．2 层间结合状况描述

5．1．3 路面结构层次组合及有限元网格剖分

5．2 两种极端层间结合状况下的力学响应分析

5．2．1 路表弯沉

5．2．2 路面结构剪应变

5．2．3 路面结构弯拉应变

5．2．4 土基顶面竖向最大压应变

5．3 层间结合状况对柔性基层沥青路面结构寿命的影响

5．3．1 路面结构寿命预估的传递函数

5．3．2 两种极端层间结合状况对路面结构寿命的影响

5．3．3 路面结构寿命随不同层间结合状况的动态演变规律

5．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目