新疆地区柔性基层沥青路面Top-Down开裂形成机理及结构优化方法研究

发布时间：2020-03-23 14:39

【摘要】：近年来,随着新疆社会经济的迅速发展,交通量与交通组成与以往发生了重大变化,高等级公路和国省干线上修筑的半刚性基层沥青路面早期破坏问题显著,出现了大范围的返修,对新疆后续公路建设发展起到了不利的影响。从当前国内以及国外相关研究来看,柔性基层沥青路面结构具有优良的力学性能,路用性能良好,而且能够彻底解决半刚性基层沥青路面反射裂缝等早期病害。在新疆修筑柔性基层沥青路面需要解决,一是柔性基层沥青路面常见病害—Top-Down裂缝,二是路面结构设计方法两方面问题。因此,从新疆独特的大温差气候环境及交通状况入手,研究柔性基层沥青路面结构Top-Down裂缝的形成及扩展机理,并在此基础上研究基于新疆大温差气候环境的柔性基层沥青路面结构设计及优化方法,对于柔性基层沥青路面在新疆地区的应用与推广有着重要的理论及现实意义。本文调查分析了新疆交通及气候环境,利用ANSYS有限元软件,研究在常温条件下不同路面结构、不同轴载和不同车速等因素对柔性基层沥青路面Top-Down裂缝起裂的影响;基于断裂力学理论,建立三维裂缝模型,分析了不同裂缝位置、裂缝尺寸、裂缝比例、不同结构设计参数以及不同轴载参数等因素下,应力强度因子(SIF)的变化规律,从而确定了控制裂缝扩展的因素;基于新疆大温差气候条件,研究了南疆炎热及北疆严寒极端气候环境下,柔性基层沥青路面的温度场及其温度应力场的变化规律,并基于此,建立了新疆极端气候环境下荷载—温度耦合场下柔性基层沥青路面的仿真模型,研究柔性基层沥青路面结构力学响应的变化规律,从而提出了柔性基层沥青路面结构的Top-Down裂缝的起裂机理。调查分析国内外柔性基层沥青路面结构的设计指标,结合新疆各气候分区的特点,提出了基于不同气候分区的柔性基层沥青路面结构设计指标;基于新疆不同气候分区的路面结构设计指标,对柔性基层沥青路面结构层厚度及模量等结构设计参数进行优化,同时,结合新疆各分区最不利气候,建立荷载—温度耦合场下的仿真模型,对柔性基层沥青路面的结构层设计参数进行继续优化,最终确定优化后的柔性基层沥青路面结构;基于AHP层次分析法,分析了在新疆各气候分区下,最不利气候环境和常温环境条件下,各柔性基层沥青路面结构的综合力学性能,最终为推荐适合新疆不同气候分区的柔性基层沥青路面结构,提出了一种适宜新疆地区的路面设计方法。
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而柔性基层路面各功能层中路面承担了大部分的弯拉应力和剪应力，在荷载的反用下容易在面层内部发生功能性破坏[4][5]。从国外大规模铺筑柔性基层路面的使用状况来看，随着沥青材料和级配理论的不步，车辙、波浪、拥包等早期路面变形病害逐渐减少，始于路面表层并不断向下扩 Top-Down 裂缝成为代表性病害形式，Top-Down 裂缝一旦产生之后，如果未得到的修补养护，将降低路面的连续性[84]，尽管从实际使用表明，表面带裂缝工作对于的整体结构和承载力降低不大，，但是裂缝的发展将会迅速破坏路面结构，裂缝尖端集中会导致裂缝顺着薄弱面向层底发展[85]，在雨水较多，温差较大的地区，在水温下，会使得路面表层沥青剥落、材料松散、形成坑槽，也即是说，初期的 Top-D裂本身对路面结构影响不显著，其造成的后续复合式病害会导致路面使用性能迅速，出现不可逆转的破坏，其开裂形式和特点如下：1)裂缝分布。Top-Down 裂缝多沿行车方向发展，位于轮迹带两侧附近区域，个况下也会有少数垂直与行车方向的横向裂缝产生，如图 1.1。

图 2.1 新疆沥青路面气候分区图2.3 新疆气候分区沥青路面使用状况2.3.1 柔性基层路面典型病害研究通过对全疆柔性基层路面使用调查可以看出，新疆对于柔性基层路面的使用多在2000 年以前，铺筑于低等级公路，并且基层材料大多为级配砂砾，由于结构单调，其病害特征对目前的柔性基层路面结构研究难以起到指导作用，本研究在病害调查方面，重点参考了国内外已建成道路的病害情况，主要有以下病害种类：（1）车辙类破坏车辙是高等级公路沥青路面渠化交通的主要损坏类型之一，车辙一般在温度较高的地区或高温季节出现，由于车载的反复作用，面层产生永久变形和塑性流动而逐渐形成；沥青面层在压缩沉陷的同时，侧向出现隆起，组合起来构成车辙。影响车辙出现和发展速度的主要因素为温度和荷载，如果气温连续超过 40℃，路面车辙深度将以厘米级的速
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.217


本文编号：2596866