柔性路面动静模量力学响应及疲劳寿命研究.pdf
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1、为了研究柔性基层沥青路面结构应力响应及疲劳寿命,依据弹性层状体系理论,利用 计算软件对典型路面结构的力学响应进行计算,通过调整各结构层模量,将计算数据进行汇总,分析动静模量对路面设计指标的影响。结果表明,动静模量变化是影响柔性路面的重要因素,随着车辆轮组和模量的增加,设计指标的轴载作用次数减小,路面疲劳寿命逐渐减少。因此,在道路设计施工时要充分考虑到动静力学变化的影响,为柔性路面在我国实施奠定基础。关键词:柔性路面;路面结构;模量;疲劳寿命;设计指标中图分类号:;文献标识码:中国大多数高等级公路普遍使用半刚性基层结构,承载能力高,抗拉强度强,但随着超载情况发生,路面产生裂缝、变形、车辙、泛油等
2、损坏。由于我国前期经济基础薄弱,技术力量较弱,优质沥青资源较少,导致我国在高等级公路研究方面较国外发展缓慢。随着经济的快速发展,各种车辆不断增加,使得我国沥青路面没有达到设计寿命就过早损坏,大大增加了路面维护费用,增大了社会压力。从使用效益上考虑,中国柔性基层沥青路面的疲劳性能与耐久性高于中国传统的半刚性路基结构。基于这种环境下,柔性基层沥青路面越来越受到人们的关注,相较于半刚性基层,柔性基层沥青路面具有抵抗流动变形的能力好、抵抗低温收缩裂缝的能力好、耐久性好、疲劳寿命长等优点。在设计指标研究方面,李小勇、韦金城等采用法国标准,利用法国结构设计软件 设计了全厚式沥青路面结构,通过对路面结构层的
3、厚度和模量进行正交试验,分析了全厚式沥青路面不同厚度处应变的变化规律,揭示了两个参数对全厚式沥青路面设计指标的影响规律。孙建秀、丁婷婷依据弹性层状体系理论,利用有限元软件计算不同模量下的柔性路面结构设计指标,并分析其变化规律。姚祖康、刘伯莹通过回顾我国历版沥青路面设计规范中设计指标的演变后,分析了现行规范中路表弯沉和拉应变设计指标存在的问题。设计弯沉值是指路面结构在经受设计使用期累积标准轴载次数后,路面状况优于设计公路的极限状态标准时,所必须具有的路表回弹弯沉值称为设计弯沉值。冯志慧、薛鹏涛等结合我国条高速公路沥青路面的实测弯沉指标,研究了柔性基层沥青路面设计弯沉计算体系,对沥青路面设计弯沉计
4、算公式进行了标定;通过计算我国常见的半刚性、组合式、柔性路面结构中柔性结构层的总厚度及层底的受力状况,提出了沥青路面设计弯沉计算公式的使用条件。王修山、凡涛涛通过 软件统计回归,建立了路面理论弯沉值与土基顶面压应变和半刚性基层顶面径向压应力之间的回归公式;根据我国 年规范的弯沉值设计公式进行推导,建立了高等级公路土基顶面压应变和半刚性基层顶面径向压应力的设计方程,并通过相关检验表进行比较,收稿日期:修回日期:本文为河北水利电力学院 届本科优秀毕业论文基金项目:国家自然科学基金项目();河北省高等学校科研重点项目();河北省大学生科技创新能力培育专项项目()第一作者简介:王磊(),男,河北承德人
5、,学士,道路桥梁与渡河工程专业。:通讯作者简介:宋杨(),男,河北沧州人,博士,教授,主要从事交通岩土方面研究。:论证了所建立的柔性基层设计方程的可信性。在研究长寿命沥青路面时,影响因素不同对路面的损坏程度也不同。张健、谢波为进一步了解柔性基层长寿命沥青路面的结构,通过建立有限元模型,调整沥青层厚度及相同沥青层厚度下基层厚度和弹性模量等参数的极值进行正交组合,并控制柔性底基层厚度调整其他结构参数,分析各种参数组合对路表弯沉、沥青面层底拉应变、土基顶压应变的影响。综合上述研究中可以发现,路面研究仍然基于静态理论,但在现实生活中,由于车辆在路面上行驶时的连续运动和振动特性,使得这一个复杂的动态过程
6、,与静态理论产生很大不同。吕秀杰基于理论模拟方法,分别分析面层与基层、面层各层位间模量组合对路面结构力学特性的影响,设定基层与沥青面层、中面层与上面层、联结层与上面层的模量比范围为,分析结构层协调状态下最佳模量组合形式。陈声凯等采用多层弹性体系理论计算分析了我国沥青路面路基土的受力水平,对国内 个实际路面结构进行了计算统计,并依据此确定了路基土室内三轴重复加载试验的加载序列,为改进回弹模量室内试验方法提供了参考。董城、岳志平等 基于路基路面协调变形,建立三维有限元分析模型,采用该模型对典型水泥混凝土路面结构的荷载应力进行计算,分析了轴重、轴型对路基工作区应力和变形的影响。结合目前的研究发现,通
7、过改变模量计算设计指标的研究还相对较少。鉴于此,本研究主要通过改变模量,拟定不同路面结构模型,分析在不同轮组及超载情况下路面设计指标变化。通过轴载作用次数变化情况,考虑动静力学对柔性路面疲劳寿命的影响,为我国在柔性路面研究方面奠定基础。拟定路面结构及荷载模型结合沥青路面设计规范和弹性层状体系理论,根据 公 路 沥 青 路 面 设 计 规 范()的沥青路面设计方法,采用轴重 的单轴 双 轮组 作为设计轴载,轮胎 接 地压 强 为 ,当量圆半径 的双圆均布荷载,轮隙间距。拟定动静力学路面结构(见表及表)及荷载模型(见图),选取,七个计算点位(见图)力学响应量。表静模量路面结构 结构层厚度弹性模量
8、泊松比密度()沥青混凝土上面层 沥青混凝土中面层 沥青混凝土下面层 沥青稳定碎石基层 级配碎石底基层 土石混合路基 表动模量路面结构 结构层厚度弹性模量 泊松比密度()沥青混凝土上面层 沥青混凝土中面层 沥青混凝土下面层 沥青稳定碎石基层 级配碎石底基层 土石混合路基 图路面结构计算模型 图荷载计算点位模型 路面结构应力响应 不同轮组应力响应随着我国经济的不断发展,车辆轴数从单轴增加到了双轴、三轴、四轴及以上的车辆,轮组由刚开始的单轮组逐渐增加到了双轮组、四轮组。不同轴河北水利电力学院学报 重、不同轮组对路面的影响各不相同,对于路面结构的破坏也不同。以单轴双轮组和双侧四轮组为例,计算静力学下沿
9、深度的应力变化,分析相同轴载()下两种轮组对于路面结构的应力响应(见图)。()单轴双轮组应力随深度变化情况()()双侧四轮组应力随深度变化情况()图不同轮组应力变化 由图()可见,单轴双轮组应力随着深度的增加而逐渐减小,到 以后开始表现为拉应力,到达 处拉应力达到最大,随后逐渐减小趋近于,处为路基层,基层为主要承重层,受到的拉应力最大,在七个计算点位中,点的应力最大。因为路基路面受压不受拉,因此在 处最容易受到破坏。由图()可见,双侧四轮组应力沿深度逐渐减小,在 处开始逐渐表现为拉应力,到达 拉应力达到最大,随后逐渐减小趋近于。通过对比,双侧四轮组的应力变化大于单轴双轮组的应力变化。当车辆行驶
10、在路面上对路基的影响最大,因此当路面结构设计时要考虑到应力响应对路基部分的影响,以减小路面的损坏。不同轮组超载应力响应随着我国经济快速发展和运输量的增加,各种车辆不断增加,超载和重载现象日益严重,使得路面结构出现大量损坏,例如车辙、坑槽、横纵向裂缝等大量的病害,大大提高了后期的养护费用,造成经济损失。由于车辆超载现象的增加,导致了道路使用寿命远远小于设计使用年限,路面出现不同情况的损坏,为后期养护造成影响。周亮、凌建明等 共同考虑了气候条件和沥青路面疲劳寿命的影响,创建了相应的预测模型,分析了车辆超载或超载对疲劳寿命的影响,并在此基础上定义了超限疲劳寿命折减系数。王刚、张银博 用 有限元软件构
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