循环低温环境下沥青路面温度应力分析

摘要

沥青路面在温度降低时会出现开裂，这种低温裂缝一直都是我国北方地区道路的主要病害形式，即使是在有着相对温和气候的长江流域，当降温的速率很快时，面层也会因为应力松弛能力不足而出现开裂现象。但是，到目前为止我国现行的公路沥青路面设计规范中依然缺少合理的方法予以控制。一方面，沥青路面结构在设计时，材料参数的选取完全按照规范的要求采用均匀模量进行计算分析，这是很不合理的，因为实际上，沥青混合料是一种环境敏感性材料，任何外界环境的变化都可能导致材料参数在路面深度方向上的不均匀变化，所以在常规的路面设计和力学计算中，认为材料参数始终均匀的计算方法跟实际路面的使用情况有很大差距。另一方面，对于层间接触状态等结构因素对路面温度应力的影响这一点国内外尚未开展系统的研究工作。所以建立合适的模型分析沥青路面结构在循环低温荷载作用下的温度应力，对于完善沥青路面的低温抗裂设计方法具有十分重要的意义。
　　首先，本文研究了在循环低温环境下用状态空间法解弹性地基上的冰雪路面温度应力问题，此时在路面横向上温度会呈现非均匀分布，并进行参数分析，结果表明在低温环境下路面结构会受到很大的拉应力，当温度应力达到材料的抗拉强度时路面结构就会产生低温收缩裂缝;并且由于一天内昼夜温差大导致路面结构在不同时刻受到不同的拉应力，当这种温度变化出现日循环、年循环时，即路面温度反复升降就会引起温度疲劳裂缝，越是接近表面的路面结构层越容易受到路面温度反复升降的影响，更容易出现温度疲劳裂缝。
　　其次，在考虑路面结构层间弱粘结的前提下研究了功能梯度路面模型各结构层在温度荷载作用下的静力问题，用一线性弹性模型描述粘结面的非完美性，通过数值算例，分析了粘结面的非完美性对路面结构温度应力的影响，并将考虑层间弱粘结和不考虑层间弱粘结的路面模型进行了对比分析，另一方面还对比了考虑材料梯度特性的路面模型和不考虑材料梯度特性的计算结果。结果表明，采用不考虑柔度系数的路面模型进行温度应力评估时很可能会低估路面承受的拉应力导致路面提早开裂，采用传统的均匀模型进行路面温度应力评价时有可能会出现实际未裂但被认为已经开裂的误诊现象。
　　最后，本文研究了当低温荷载均匀分布时，路面结构层的温度应力分布状况。研究结果表明，路面不同深度处温度的变化主要是由周期性交化的环境因素造成的，而且热量在传递的过程中伴随着能量的衰减。
　　面层的温度应力会随着地基等效模量参数的增大而增大，最后趋于一个稳定值，我们在计算地基时应根据实际情况合理选择地基的等效剪切模量参数和等效弹簧模量参数，以免造成计算出的路面结构温度应力与实际值相差太大，从而导致路面设计不合理继而引发路面温度裂缝的出现。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 路面温度场研究现状

1．2．2 路面温度应力研究现状

1．2．3 功能梯度材料的研究现状

1．2．4 沥青路面低温开裂研究现状

1．3 本文主要研究内容和研究方法

2 沥青路面低温应力分析

2．1 沥青路面功能梯度模型的热力学分析

2．11 路面模型地基的处理

2．12 路面热力学分析基本方程

2．13 建立状态空间方程

2．14 均匀层和模型

2．15 代入边界条件求解状态空间方程

2．2 结果与讨论

2．21 实例分析的背景

2．22 沥青路面温度应力分析

2．23 温度和温缩系数对路面温度应力的影响

2．24 路面宽度和面层厚度对路面温度应力的影响

2．25 地基等效剪切模量对路面温度应力的影响

2．26 地基等效弹簧模量对路面温度应力的影响

2．3 本章小结

3 考虑层间弱粘结后的沥青路面低温应力分析

3．1 关于路面层间粘结的概述

3．2 考虑层间弱粘结的沥青路面功能梯度模型

3．21 考虑层间弱粘结

3．22 代入边界条件求解状态空间方程

3．3 实例分析

3．31 路面基本结构与参数

3．32 层间弱粘结对路面温度应力的影响

3．33 考虑弱粘结和不考虑弱粘结时的路面模型对比分析

3．34 梯度模型与均匀模型计算对比分析

3．4 本章小结

4 均匀低温荷载时的路面温度应力分析

4．1 沥青路面功能梯度模型的建立

4．11 建立状态空间方程

4．12 无量纲化处理

4．13 均匀层和模型

4．14 整体分析

4．15 考虑层间弱粘结

4．16 代入边界条件求解状态空间方程

4．2 结果与讨论

4．21 路面基本模型与参数

4．22 路面不同结构层温度应力分析

4．23 地基等效剪切模量对路面温度应力的影响

4．24 地基等效弹簧模量对路面温度应力的影响

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 研究主要成果

5．2 研究展望

参考文献