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柔性基层沥青路面设计指标及性能预估模型研究

作　者: 滕旭秋
导　师: 戴经梁
学　校: 长安大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 柔性基层设计指标性能预估有限元车辙 Top-Down裂纹反射裂纹疲劳寿命
分类号: U416.217
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

柔性基层沥青路面以其优良的路用性能成为我国半刚性基层沥青路面的必要补充形式。相对于半刚性基层沥青路面而言，随着其沥青层厚度的增加，路面结构层受力必然要发生一定的变化，在此条件下如何进行柔性基层沥青路面的结构设计就成为其在我国得以推广应用迫切需要解决的问题。在沥青路面结构服务期内，我国沥青路面设计采用的弯沉指标及国外采用的路基顶面压应变、沥青层底部拉应变指标均不能真实反映实际道路的破坏情况，本文以柔性基层沥青路面的病害为切入点，提出以车辙、Top-Down裂纹、反射裂纹(仅对混合式基层沥青路面)为设计指标，建立了相应的柔性基层沥青路面性能预估模型，在此基础上完成了路面结构车辙深度及疲劳寿命的计算。最后以青岛-银川高速公路采用混合式路面试验段为依托工程，进行了车辙深度和反射裂纹、Top-Down裂纹疲劳寿命的预估计算。首先通过频率扫描试验确定了三种不同沥青混合料在不同温度下对应的动模量及相位角，根据粘弹性力学中的时温等效原理，应用WLF方程，通过Sig-moidal函数及非线性最小二乘法确定某一温度下沥青混合料的动态模量主曲线及相位角主曲线，并在此基础上通过傅立叶变换确定广义Maxwell模型的粘弹性参数，为后期的车辙计算奠定了基础。此外，由于ANSYS有限元程序自身对材料模型的要求，需把通过试验确定的松弛模量转化成剪切模量及体积模量再用于有限元计算，鉴于此，推导了广义Maxwell模型的三维本构方程，应用留数定理确定了蠕变函数的系数，基于以上研究，确定了沥青混合料的剪切模量及体积模量的表达式。同时，应用FWD实测试验路段的弯沉值，根据BP神经网络的L-M动量项法确定了路基土及半刚性底基层材料的动模量值，并在沥青混合料频率扫描试验的基础上，结合有效深度的定义确定了沥青混合料在一定的设计车速、结构层厚度情况下对应的模量值，为试验段路面性能预估提供必要的参数。车辙计算时，利用概率统计理论计算了不同荷载偏移距离下路面不同位置的荷载作用的概率，应用有限元程序计算路面结构的车辙。应用所建模型，进行了基于荷载大小、行车速度、荷载作用次数、轮胎中线偏移距离及土基模量等五个因素的车辙正交计算。通过方差分析法确定了各因素对车辙影响的显著程度，以期为今后的路面设计及养护工作提供必要的参考。Top-Down裂纹疲劳寿命计算时，采用概率统计的方法将荷载按正态分布的原则作用到路面结构模型上，应用改进的Paris公式及四阶龙格-库塔法则计算不同荷载作用位置、不同裂纹位置对应的路面结构的疲劳寿命。在此基础上，根据Miner损伤原则，确定了基于Top-Down裂纹的路面结构疲劳寿命。对于混合式基层沥青路面进行反射裂纹疲劳寿命计算时，考虑车辆荷载每次经过裂纹时对裂尖造成的影响不同，根据断裂力学原理及修正后的Miner法则计算路面结构反射裂纹的疲劳寿命。最后以青银高速公路混合式路面试验段为依托工程，进行了车辙深度及Top-Down裂纹、反射裂纹等疲劳寿命的预估计算。本文从柔性基层沥青路面的病害入手，提出车辙、Top-Down裂纹、反射裂纹为设计指标，建立了柔性基层沥青路面性能预估模型，为柔性基层沥青路面在我国的推广应用起到一定的推进作用。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 问题的提出及研究意义  12-13
  1.2 国内外发展概况  13-21
    1.2.1 国内沥青路面设计方法概述  14-17
    1.2.2 国外沥青路面设计方法概述  17-21
  1.3 研究内容  21-24
    1.3.1 总体设计思路  21
    1.3.2 主要研究内容  21-24
第二章柔性基层沥青路面的设计指标  24-32
  2.1 车辙指标的确定  24-29
    2.1.1 沥青路面永久变形概述  24-27
    2.1.2 沥青路面车辙的控制标准  27-29
  2.2 Top-Down裂纹  29-30
  2.3 反射裂纹  30-32
第三章模型参数的确定  32-65
  3.1 基本原理  32-36
    3.1.1 时温等效原理  32-33
    3.1.2 移位因子α_T的确定  33-34
    3.1.3 主曲线的确定方法  34-35
    3.1.4 留数定理  35-36
  3.2 沥青混合料粘弹性模型推导  36-42
  3.3 试验设计  42-45
  3.4 沥青混合料组成设计  45-50
    3.4.1 原材料性质分析  45-47
    3.4.2 沥青混合料级配设计  47-50
  3.5 试验结果  50-58
    3.5.1 主曲线的确定  50-54
    3.5.2 频域模量与时域模量的转化  54-57
    3.5.3 幂律蠕变参数的确定  57-58
  3.6 应用FWD数据反算土基及半刚性材料模量值  58-63
    3.6.1 BP神经网络模型在反演路面结构参数中的应用  58-59
    3.6.2 应用FWD数值反演路面结构层模量  59-63
  3.7 本章小结  63-65
第四章沥青路面永久变形研究  65-95
  4.1 材料模型的建立  65-71
    4.1.1 基本原理  65-67
    4.1.2 沥青混合料材料模型的确定  67-68
    4.1.3 路基及底基层材料模型的确定  68-71
  4.2 路面结构的数值模拟  71-75
    4.2.1 ANSYS结构计算基础  71-73
    4.2.2 有限元模拟  73-75
  4.3 车辙计算中相应参数的确定  75-89
    4.3.1 沥青层的"代表温度"  75-76
    4.3.2 荷载的作用面积  76-77
    4.3.3 荷载作用时间的确定  77-81
    4.3.4 轮载的横向偏移  81-87
    4.3.5 基于粘弹性材料本构方程的剪切模量的确定  87-89
  4.4 车辙计算结果分析与整理  89-93
  4.5 本章小结  93-95
第五章沥青路面Top-Down裂纹疲劳开裂研究  95-121
  5.1 沥青路面疲劳开裂概述  95-103
    5.1.1 断裂力学模型基本理论  95-101
    5.1.2 ANSYS在断裂力学计算中的应用  101-103
  5.2 路面结构表面裂纹的数值仿真计算  103-107
    5.2.1 模型基本假设  103-104
    5.2.2 荷载的施加  104-106
    5.2.3 模型尺寸及边界条件的确定  106-107
  5.3 Top-Down裂纹的疲劳计算  107-117
    5.3.1 疲劳模型的建立  107-109
    5.3.2 疲劳计算中沥青层"代表温度"的确定  109-110
    5.3.3 Paris模型参数的确定  110-113
    5.3.4 基于轴载偏移的疲劳寿命预估  113-116
    5.3.5 疲劳寿命预估的数值分析方法  116
    5.3.6 初始裂纹长度的确定  116-117
  5.4 Top-Down裂缝疲劳寿命预估  117-120
  5.5 本章小结  120-121
第六章混合式基层沥青路面反射裂纹疲劳开裂研究  121-128
  6.1 混合式基层沥青路面反射裂纹疲劳开裂概述  121-122
  6.2 混合式基层沥青路面反射裂纹数值仿真计算  122-124
    6.2.1 模型的基本假设  122
    6.2.2 荷载的施加  122-123
    6.2.3 有限元模型的建立  123-124
  6.3 混合式基层沥青路面反射裂纹疲劳寿命预估  124-126
  6.4 本章小结  126-128
第七章柔性基层沥青路面性能预估实例  128-137
  7.1 试验路概况  128-129
  7.2 路面结构参数的确定  129-134
  7.3 试验段路面结构性能预估  134-136
    7.3.1 反射裂纹疲劳寿命计算  134-135
    7.3.2 车辙预估  135
    7.3.3 Top-Down疲劳寿命预估  135-136
  7.4 本章小结  136-137
第八章主要结论与展望  137-140
  8.1 主要结论  137-138
  8.2 创新性成果  138
  8.3 进一步研究的问题  138-140
参考文献  140-144
攻读博士学位期间取得的研究成果  144-145
致谢  145

柔性基层沥青路面设计指标及性能预估模型研究

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