高寒地区沥青路面行为特性与设计方法研究

论文摘要

由于沥青路面完全暴露于自然环境之中,长期承受着车辆荷载的反复作用和外界自然环境的直接影响,导致路面性能衰减和破损的因素错综复杂。鉴于我国目前沥青路面结构形式还较为单一化,路面破损模式与设计指标之间存在脱节现象,以及路面材料设计体积参数与路用性能指标相关关系不明确,因此,积极开展有关考虑气候环境和交通特征、以路面使用性能为目标的沥青路面结构与材料设计方法研究具有十分重要的意义。基于此,本文以交通部西部交通建设科技项目“高原湿地郎川公路修筑及环境保护技术研究”（项目编号:200431800054）为支撑,以高寒地区沥青路面为研究对象,在广泛搜集国内外相关文献与研究成果的基础上,进行了路面破损现场实地调研,探讨了有关沥青路面结构分析基础理论问题。采用理论与实践相结合的手段,并充分考虑外界环境因素、交通荷载以及路面结构与材料的自身特性,对高寒地区沥青路面结构组成与行为特性、沥青混合料材料构成与性能特性、以及与之相适应的路面结构与材料设计方法等内容进行了较系统、深入的研究。主要研究工作和研究成果有:（1）通过对四川与西藏高寒地区部分公路沥青路面的现场调研,确定了高寒地区沥青路面的6类主导破损形式,分析了破损规律与形成机理,其中路面开裂中的温缩裂缝、反射裂缝是由于路面结构与材料自身原因而产生的最主要破损类型。（2）基于ABAQUS软件平台,深入探讨了有关沥青路面结构分析基础理论中的层间状态、车辆荷载作用方式、多因素综合作用等问题,分析了各种单因素或多因素作用对路面性能关键力学指标的影响规律。指出以接触模型分析路面的力学响应更符合路面的实际工作状态,接触模型更能体现水平荷载对路面力学行为的影响,掌握了层间状态对高、低温环境下的沥青路面行为特性的影响规律,确定了高温与车辆荷载综合作用时路面性能严重恶化的层间接触摩擦系数的临界值,给出了高寒地区特殊环境下沥青路面结构分析的力学模型与外荷载组合方式的合理建议。（3）总结了新型沥青路面结构概念及其所包含的结构类型,针对高寒低温地区的新型沥青路面结构型式,考虑沥青混凝土的感温特性,进行了基于层间接触模型的路面大温差温度行为、温度与荷载耦合行为、抗开裂行为等系统理论分析。指出全厚式结构（文中的类型三）和倒装式结构（文中的类类型五）具有更好的抗环境变化能力和抗开裂性能。由于大温差、水平与竖向荷载的联合作用,导致路面力学行为产生显著变化,与竖向荷载单独作用相比,不仅力学响应大小不同,而且响应极值出现位置也不同。（4）以AC-13酸性花岗岩沥青混凝土材料组成优化设计研究为例,充分考虑项目依托工程高寒低温和重载交通的要求,引用正交法设计思想,进行了大量室内试验,系统分析了级配类型、压实温度、成型方法、沥青用量及改善措施等因素对沥青混合料的各种性能的影响及其相关关系。以试验结果为基础,确定了项目依托工程AC-13沥青混合料的低温压实临界温度值,给出了确定各影响因素优化组合的试验方法。在此基础上,明确了高寒地区沥青混凝土材料组成设计原则与材料要求,提出了特殊环境下基于抗冻融稳定性、以体积和性能双参数作为过程控制的沥青混凝土材料组成实用优化设计方法。（5）以现场试验路实测数据为基础,系统研究了各新型沥青路面结构的温度行为特性、抗开裂性能及弯沉特点等问题。应用光纤光栅式温度传感器对高、低温季节路面温度行为的测试结果,得到了各类型路面在不同环境温度、不同时段气温、路表温度与路面内部温度场的变化规律,建立了高寒地区特殊环境下沥青路面各结构层位的分季节、分时段性的路面温度通用预估模型。应用现场开裂调查结果,描述了开裂的形态特征,评价了各新型结构的抗裂效果。应用现场弯沉测试结果,明确指出了对设计弯沉值要求过高的弊端。综合理论分析与现场试验结果,明确了高寒地区沥青路面设计原则与设计要求,推荐了高寒地区适宜沥青路面结构形式,建立了结构设计力学模型,初步提出了结构设计计算方法,提出了基于路面使用性能的分状态（高、低温状态）、分指标（应力、应变指标）的高寒地区特殊环境沥青路面结构设计与行为分析方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 寒区沥青路面病害及防治措施研究
• 1.2.2 半刚性沥青路面行为特性及防裂措施研究
• 1.2.3 基于层间状态的沥青路面行为特性研究
• 1.2.4 沥青路面结构设计方法与指标体系研究
• 1.2.5 沥青混合料材料设计方法与指标体系研究
• 1.3 主要研究内容与技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 高寒地区沥青路面破损形式与机理
• 2.1 调研说明
• 2.2 调研路段路面结构
• 2.3 路面主导破损类型与特征
• 2.4 路面主导破损形成机理
• 2.5 本章小结
• 第3章 沥青路面结构分析的基础理论问题研究
• 3.1 现行规范的结构分析理论基础
• 3.2 有限元法在路面计算分析中的应用
• 3.3 层间接触有限元理论基础
• 3.3.1 接触界面条件
• 3.3.2 接触条件的离散化
• 3.3.3 ABAQUS层间接触问题的处理
• 3.4 有限元计算模型的建立
• 3.5 有关沥青路面结构分析方法中的基础理论问题分析
• 3.5.1 层间状态问题分析
• 3.5.2 车辆荷载作用方式问题分析
• 3.5.3 多因素综合作用问题分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 高寒地区新型沥青路面结构行为数值计算
• 4.1 新型沥青路面结构概念
• 4.2 本研究采用的新型结构方案
• 4.2 数值计算主要理论基础
• 4.3 大温差温度行为特性分析
• 4.3.1 计算条件
• 4.3.2 结构体温度场分析
• 4.3.3 结构体应力场分析
• 4.4 温度与车辆荷载综合作用行为分析
• 4.4.1 计算条件
• 4.4.2 变形分析
• 4.4.3 水平拉应力（变）分析
• 4.4.4 剪应力分析
• 4.4.5 路基顶面压应变分析
• 4.4.6 结构体总应变能分析
• 4.5 断裂力学抗裂行为分析
• 4.5.1 计算模型与计算方法
• 4.5.2 应力强度因子分析
• 4.5.3 断裂疲劳寿命分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 高寒地区沥青混凝土材料组成优化设计
• 5.1 试验原材料性质
• 5.2 试验方案设计
• 5.2.1 主要优化要素
• 5.2.2 优化要素试验设计
• 5.2.3 优化试验步骤
• 5.3 优化要素对混合料性能影响试验
• 5.3.1 级配类型
• 5.3.2 压实温度
• 5.3.3 成型方法
• 5.3.4 沥青用量
• 5.3.5 改善措施
• 5.4 沥青混凝土材料优化设计结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 新型沥青路面结构现场试验路研究
• 6.1 试验路概况
• 6.2 试验路路面施工
• 6.3 试验路路面温度行为测试
• 6.3.1 光纤光栅（FBG）传感器测温原理
• 6.3.2 现场测试目的与方案
• 6.3.3 路面温度行为测试结果分析
• 6.4 试验路开裂状况调查
• 6.5 试验路路表弯沉测试
• 6.6 本章小结
• 第7章 高寒地区沥青路面结构与材料设计方法
• 7.1 沥青路面结构设计方法
• 7.1.1 设计原则与要求
• 7.1.2 沥青路面的关键控制指标
• 7.1.3 推荐的沥青路面结构形式
• 7.1.4 路面结构层设计计算方法
• 7.1.5 设计流程
• 7.2 沥青混凝土材料设计方法
• 7.2.1 设计原则
• 7.2.2 材料要求
• 7.2.3 设计方法与步骤
• 7.2.4 设计流程
• 7.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 现场试验段概况
• 附录2 现场试验段实测温度场
• 附录3 试验段路表弯沉测试结果
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果