破损水泥混凝土路面的修复设计及可靠性研究

论文摘要

论文以国道321线广东高要至封开段水泥混凝土路面改造工程为基础,针对破损水泥混凝土路面修复设计和路面耐久性可靠性等科学问题,进行了较系统地试验和深入的研究。运用统计方法分析了破损水泥混凝土路面断裂破损规律、在试验室研究和配制了新型改性沥青、提出了路面力学性能监测手段、并运用有限元方法分析了破损水泥混凝土路面结构和破损水泥混凝土路面加铺半刚性基层沥青混凝土路面结构中各参数变化对其力学响应的影响,为提高修复设计的可靠性和经济性,提供了新的力学检（监）测方法和改性沥青设计,完善了破损水泥混凝土路面修复设计理论。论文首先对1.2公里长的试验路分块编号,对路面断裂破损状况进行了详细的调查,绘制路面板的断裂平面图,统计分析了断裂位置与行车方向接缝的距离,通过数值分析找到了路面在随机的车辆荷载和环境荷载作用下的断裂规律,研究了其断裂机理,为新建水泥混凝土路面的设计和破损水泥混凝土路面的修复设计提供理论基础。针对破损水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面的反射裂缝问题,基于STRATA应力吸收层的防裂原理,采用环氧树脂和橡胶粉对A级70号沥青进行改性,对加入不同比例和剂量改性剂的改性沥青进行了针入度P25℃,100g,5s、软化点TR&B和延度D25℃,5cm/min三大指标的试验,同时进行了低温延度D5℃,5cm/min和扭转回弹试验,在实验室研制出了一种高低温性能较好的改性沥青,以该改性沥青为粘结材料进行了沥青混合料室内试验,验证其具有较好的高温稳定性、抗疲劳性能、抗水损坏性能。针对目前判定路面承载力的主要设计指标路面弯沉的局限性,提出了一种以振弦式应变计为基础新的路面力学性能检（监）测手段。首先将振弦式应变计埋入混凝土梁试件和真实混凝土路面,进行了相关的室内、室外力学试验和室外路面的长期测监测后,验证振弦式应变计在水泥混凝土路面的力学性能测试应用中的可行性;设计了路面力学性能长期无线自动监测系统和人工半自动监测系统,并在试验路段中埋设了振弦式应变计和温度传感器,为破损水泥混凝土路面加铺修复设计的各结构层力学参数性能的测试,路面结构温度场的测试、路面在行车荷载及温度荷载作用下的应变、应力场的长期监测提供了新的方法和手段,为完善破损水泥混凝土路面的修复设计理论和可靠性研究提供新的试验监测方法。论文利用有限元力学分析方法,结合试验路段实际的结构类型和路面调查情况,考虑旧路面结构的实际几何形状,建立了有限元模型,分析了破损水泥混凝土路面板受到不同的边界约束条件、荷载作用在路面不同位置、地基模量、路面厚度、脱空尺寸和行车荷载等因素对路面结构力学响应的影响;同时对试验路不同时期的承载力进行了调查,分析出加速路面破坏的两个重要因素:路肩的稳定和路面结构的排水能力,针对提高破损水泥混凝土修复的可靠性,提出了在修复设计中必须高度重视路肩的维修和路面结构排水能力的修复的观点。论文利用有限元力学方法对破损水泥混凝土路面冲击破碎稳固或灌浆稳固后,加铺半刚性基层沥青混凝土路面结构的力学响应进行了分析。将理论计算结果同埋入路面结构的振弦式传感器所测的应变数据以及贝克曼梁测得的弯沉测量结果相比较,验证了计算模型的有效性和正确性。并以该模型为基础,分析了旧路面厚度、冲击破碎尺寸、行车荷载、温度荷载、加铺基层的厚度、沥青混凝土面层模量等因素对旧水泥混凝土路面加铺路面结构力学响应的影响。本论文理论研究与实验研究的成果已应用321国道试验路段。

论文目录

• 摘要（中文）
• 摘要（英文）
• 目录（中文）
• 目录（英文）
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 水泥混凝土路面的破损研究
• 1.2.2 破损水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面的研究
• 1.2.3 路面力学性能监测研究
• 1.2.4 路面力学模型及数值分析方法研究
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 水泥混凝土路面断裂破坏的统计分析
• 2.1 水泥混凝土路面的结构
• 2.2 水泥混凝土路面破损状况的评定
• 2.3 水泥混凝土路面的断裂破坏
• 2.3.1 断裂破坏的宏观力学分析
• 2.3.2 断裂破坏的细观力学分析
• 2.4 试验路段水泥混凝土路面的断裂统计分析
• 2.4.1 横向裂缝统计分析
• 2.4.2 各种裂缝统计分析
• 2.5 断裂的物理成因
• 2.6 断裂统计的意义
• 2.6.1 对新建路面设计方法的意义
• 2.6.2 对破损路面修复设计的意义
• 2.7 本章小结
• 第三章 应力缓冲层的改性沥青研制
• 3.1 反射裂缝的形成及路面破坏机理
• 3.2 STRATA应力吸收层
• 3.3 改性沥青的研制
• 3.3.1 改性沥青的主要材料
• 3.3.2 改性沥青的配制
• 3.3.3 改性沥青物理实验
• 3.3.4 试验结果
• 3.4 改性沥青混合料试验
• 3.4.1 沥青混合料的制备和试件成型
• 3.4.2 改性沥青混合料主要性能指标测定
• 3.5 本章小结
• 第四章 路面力学性能的监测研究
• 4.1 破损CCP加铺AC路面修复设计的控制指标
• 4.2 路面力学性能的主要测试方法
• 4.2.1 贝克曼梁测试
• 4.2.2 FWD测试
• 4.2.3 多深度挠度仪系统
• 4.3 弯沉指标的局限性
• 4.4 路面结构的力学响应测试在国内外应用情况
• 4.5 振弦式应变计在路面力学性能测试的应用
• 4.5.1 振弦式应变计的测试原理
• 4.5.2 室内和室外试验研究
• 4.5.3 路面监测系统研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 水泥混凝土路面的力学响应分析
• 5.1 路面结构的力学模型
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 路面结构参数的选取
• 5.1.3 计算荷载
• 5.2 荷载作用在板的中间位置时的力学响应
• 5.2.1 不同边界条件的影响
• 5.2.2 地基模量的影响
• 5.2.3 面层厚度的影响
• 5.3 荷载作用在临界位置时路面结构的力学响应
• 5.3.1 边界自由时计算结果
• 5.3.2 面层厚度的影响
• 5.3.3 地基弹性模量的影响
• 5.3.4 脱空的影响
• 5.3.5 荷载的影响
• 5.4 试验路段的路面破坏分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 破损水泥混凝土路面加铺沥青路面的力学响应分析
• 6.1 破损路面结构及力学模型
• 6.1.1 试验路的结构
• 6.1.2 计算模型
• 6.1.3 计算荷载
• 6.1.4 计算模型的验证
• 6.2 不冲击破碎旧路面时加铺路面结构的力学响应分析
• 6.2.1 旧路面厚度的影响
• 6.3 冲击破碎旧路面时加铺路面结构的力学响应分析
• 6.3.1 旧路面破裂尺寸的影响
• 6.3.2 温度的影响
• 6.4 旧路面冲击破裂16块时加铺路面结构的力学响应分析
• 6.4.1 加铺基层厚度的影响
• 6.4.2 面层模量的影响
• 6.4.3 行车荷载的影响
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢