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碎石化沥青加铺结构力学行为研究

作　者: 张泉
导　师: 陆阳
学　校: 西南交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 碎石化沥青加铺结构力学行为特性模量反演颗粒离散元耦合室内模型试验疲劳特性可靠度
分类号: U416.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着对修复或加铺旧水泥混凝土路面需求的快速增长,解决加铺层所涉及的关键技术和工程问题以及节约工程投资、提高效率、保证行驶质量,显得非常迫切。而旧水泥混凝土路面改建技术的关键,是对破损混凝土路面板的处理方法。水泥板碎石化方法是将旧水泥混凝土板块破碎后作为改建路面的基层或底基层,较好地利用了原混凝土板的强度,不仅节省投资、有效地防治反射裂缝的产生或发展,而且有效地解决了废料的处置问题。碎石化技术虽在国内工程实践中有所应用,但仍不成熟,工程界对旧水泥路面碎石化加铺层设计方法尚未取得共识,相关的力学机理、加铺层设计理论、路面设计及验收指标的选取、破碎层特性的表征等仍需做大量的研究工作。鉴于此,论文将在广泛调研的基础上,结合成绵高速公路改建工程,通过理论研究与数值分析、室内外试验等技术手段,对碎石化沥青加铺结构相关力学行为特性进行研究。首先,根据现场试验路的试验分析,研究碎石化层的材料特性和结构性能。通过现场调查、钻芯取样、开挖检查坑等手段,获得了碎石层的级配等基本物理参数。研究中,根据弯沉等效原理,对FWD弯沉检测值进行了反演分析,确定路面各结构层的回弹模量值。由于路表弯沉实为路面各结构层对荷载作用的综合响应,其中又以路基的竖向变形所占比例最大,因而反演过程中,根据结构层内荷载扩散规律,采用了由远及近、分步反演的方法,即先由远离承载板的弯沉值反算路基模量,再由承载板附近的弯沉值反算路面各结构层的模量。考虑到路面结构在FWD动载作用下所表现出的力学响应行为不同于静载,论文在大型有限元软件ABAQUS的平台上,应用python语言二次开发了动力有限元的反演程序,对碎石化前、后成绵高速的路面改建工程检测数据进行反演,得到了与现场实际情况较为接近的路面各结构层力学参数。在实体工程检测数据分析的基础上,选取两典型的碎石化沥青加铺结构(碎石化加铺结构1中旧混凝土上层破碎粒径≤15cm,碎石化加铺结构2中旧混凝土上层破碎粒径≤7.5cm)进行室内沥青加铺层足尺疲劳试验。在控制环境及荷载条件下,重点研究竖向动荷载累计作用所引起的沥青加铺层及下卧碎石层力学状态的变化,探讨碎石层物理指标与加铺层结构劣化的关系。试验结果证实了沥青加铺层层底应变随荷载重复作用次数增长呈现增加趋势；同时发现,相同环境及荷载作用下,加铺层层底应变增长率与旧混凝土层的碎石化程度有直接的关系,碎石化程度较低的加铺层结构(结构1)的应变变化率明显大于碎石化程度较高的加铺层结构(结构2)应变变化率,说明在基层承载力得以满足的情况下,适当提高旧混凝土路面的碎石化程度将有利于加铺层结构的抗疲劳性能。为进一步认识碎石化程度对沥青加铺层力学行为特性的影响,建立了混凝土碎石化路面沥青加铺结构计算模型,模型视沥青加铺层、基层及土基为连续介质,旧混凝土碎石层为离散介质,分别采用有限差分和颗粒离散元加以模拟,并通过界面的强制性连续条件,实现有限差分和颗粒离散元的耦合。根据现场检测情况,将破碎混凝土简化成三层,即碎粒层、碎石表层和碎石底层,通过模拟计算,探讨不同尺度材料组合情况下的结构计算方法。结果表明,碎粒层分层厚度越厚,旧混凝土板碎石化程度越高,沥青加铺层底承受的拉应变、拉应力和荷载中心作用处的弯沉也就越大。当碎粒层颗粒粒径由1mm变化到2mm时,沥青加铺层底的拉应力、应变也相应变大；而碎石表层颗粒粒径由5～8mm减小到3～5mm,即旧混凝土面层破碎越碎,原水泥混凝土面板的强度下降的越多,整体性也就越差,沥青加铺层底的拉应力、应变也就越大。计算结果证实,说明在施工过程中,破碎混凝土块的粒径应控制在一定的范围内。针对旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青面层这类特定的复合结构形式,分别以路表弯沉和结构层底容许拉应力为控制指标,在2D有限元通用计算程序的平台上,进行了典型路面结构可靠度计算和灵敏性分析程序的二次开发,并通过计算,确定了对碎石化沥青加铺结构可靠性影响较为显著的因素。计算结果表明,以容许拉应力为控制指标对路面结构可靠度指标的影响大小依次为：土基、碎石层、基层与沥青面层。其中,土基和碎石层对结构可靠性指标的影响占到85%以上,是结构抗拉性能的决定性因素；另一方面以路表弯沉为控制指标对路面结构可靠性指标的影响大小依次为：加铺层、基层、土基与碎石层,其中,加铺层和基层的模量对结构可靠性指标的影响占到90%以上,是路面抵抗弯沉变形的决定性因素。因此,碎石化沥青加铺结构设计和施工过程中应综合考虑这两方面因素,寻求平衡点,达到路面结构对荷载响应的整体性最优。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第1章概述  15-31
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 碎石化沥青加铺结构的基本原理  16-19
    1.2.1 水泥混凝土路面碎石化的概念  16
    1.2.2 混凝土路面碎石化基本原理  16
    1.2.3 碎石化技术的优势  16
    1.2.4 碎石化技术类型  16-19
    1.2.5 碎石化施工要点  19
  1.3 国内外发展和研究现状  19-29
    1.3.1 国外研究现状  19-24
    1.3.2 国内研究现状  24-29
  1.4 论文研究的主要内容  29-30
  1.5 论文研究的技术线路  30-31
第2章现场试验路碎石化层物理力学特性分析  31-40
  2.1 概述  31
  2.2 试验路概况  31-32
  2.3 现场试验路碎石化层物理特性  32-33
    2.3.1 碎石化层表观特性  32
    2.3.2 碎石化层级配分析  32-33
  2.4 现场试验路碎石化层力学特性  33-39
  2.5 本章小结  39-40
第3章基于FWD反演碎石化路面结构模量参数  40-70
  3.1 结构层特性对模量反演的影响因素分析  40-43
  3.2 基于弹性层状理论的结构层模量反演计算  43-47
  3.3 结构层模量反演计算的静态有限单元法  47-57
    3.3.1 碎石化前反演结果分析  48-51
    3.3.2 碎石化后反演结果分析  51-53
    3.3.3 加铺一层沥青后反演结果分析  53-55
    3.3.4 加铺二层沥青后反演结果分析  55-57
  3.4 结构层模量反演的动态计算方法  57-67
    3.4.1 动力问题的有限元基本方程  57-58
    3.4.2 动力有限元反演结构层模量思路框架  58-59
    3.4.3 基于动力有限元反演计算模型建立  59-62
    3.4.4 路面结构动力有限元模型校核  62
    3.4.5 基于动力有限元反演结果分析  62-67
  3.5 本章小结  67-70
第4章碎石化沥青加铺结构疲劳特性试验研究  70-104
  4.1 概述  70-71
    4.1.1 试验研究的主要内容  70-71
    4.1.2 试验的关键技术  71
  4.2 试验方案设计  71-78
    4.2.1 碎石化加铺结构模型设计  71
    4.2.2 加载系统设计  71-73
    4.2.3 试验设备及传感器的布设  73-75
    4.2.4 传感器的埋设  75-77
    4.2.5 试验过程简述  77-78
  4.3 碎石化沥青加铺结构模型的制作  78-92
    4.3.1 土基的铺筑  78-81
    4.3.2 水泥稳定碎石基层的铺筑  81-83
    4.3.3 水泥混凝土面层的施工  83-85
    4.3.4 水泥混凝土面层的碎石化  85-91
    4.3.5 沥青加铺层的施工  91-92
  4.4 试验结果及分析  92-102
    4.4.1 试验的实施  92
    4.4.2 沥青加铺层层底应变～时间效应分析  92-94
    4.4.3 碎石化程度对沥青加铺层疲劳特性影响分析  94-102
  4.5 本章小结  102-104
第5章碎石化沥青加铺结构力学行为数值分析  104-136
  5.1 引言  104
  5.2 离散单元法(DEM)与有限差分(FLAC)外部耦合计算基本原理  104-126
    5.2.1 离散单元法(DEM)  104-120
    5.2.2 有限差分法(FLAC)  120-123
    5.2.3 离散单元(DEM)与有限差分(FLAC)外部耦合计算方法  123-126
  5.3 碎石化沥青加铺结构模型建立  126-129
  5.4 混凝土碎石化程度敏感性数值分析  129-135
    5.4.1 相同颗粒粒径不同分层厚度  129-131
    5.4.2 相同分层厚度不同颗粒粒径  131-135
  5.5 本章小结  135-136
第6章碎石化混凝土沥青加铺层的结构可靠性分析  136-169
  6.1 沥青路面结构可靠性计算的基本理论  136-154
    6.1.1 结构可靠性的基本概念  137-141
    6.1.2 结构可靠度常用计算方法  141-151
    6.1.3 基于随机有限元的沥青路面可靠度计算方法  151-154
  6.2 碎石化沥青加铺结构可靠性分析仿真计算  154-162
    6.2.1 碎石化沥青加铺结构可靠性分析极限状态方程建立  154-156
    6.2.2 碎石化沥青加铺结构随机有限元仿真模型建立  156-159
    6.2.3 程序的编制  159-160
    6.2.4 计算程序的验证  160-162
  6.3 结构可靠度对随机变量的敏感性分析  162-168
    6.3.1 碎石层以及沥青加铺面层模量对路表弯沉和沥青层底拉应力的影响  162-163
    6.3.2 基于容许弯拉应力模式碎石化沥青加铺结构可靠性分析  163-166
    6.3.3 基于弯沉模式的碎石化沥青加铺结构可靠度分析  166-168
  6.4 本章小结  168-169
结论  169-175
致谢  175-176
参考文献  176-186
攻读博士学位期间发表的论文及科研成果  186

碎石化沥青加铺结构力学行为研究

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