重庆市国省干线沥青路面结构力学响应及环境效益分析

发布时间：2020-10-09 20:16

　　为了从沥青路面结构力学性能及环境效益两个角度进行路面结构设计优化,以提高重庆市国省干线公路服务寿命,并且引入可持续概念为建设绿色公路服务。本文以重庆市国省干线公路沥青路面结构为研究对象,首先对重庆市国省干线沥青路面结构运行环境特征、交通特征及结构组合形式进行详细的统计分析;其次,利用沥青混合料性能试验机(SPT)对AC13、AC20两种沥青混合料进行室内动态模量试验,利用1stopt软件进行最小二乘法数值拟合,确定AC13沥青混合料、AC20沥青混合料在25℃参考温度下的动态模量主曲线函数,为沥青路面结构动力响应分析提供材料参数;然后,根据国省干线沥青路面典型结构,利用有限元软件模拟路面结构力学响应特征,分析温度、速度及轴载对力学响应的影响规律,并采用正交分析法分析路面结构参数与各动力响应指标的关系,得到通过调整路面结构参数改善路面受力条件的有效途径;最后,基于LCA理念量化分析国省干线沥青路面典型结构建设期间的环境效益,并研究路面结构参数调整对整个建设期能耗及碳排放的影响规律。论文的主要成果如下:(1)依据累年年均降雨量、最热月最高气温均值以及累年年极端最低气温,结合重庆市地域特点,基于GIS方法将重庆公路运行环境划分为四个区域,交通特征及路面性能存在显著地域差异性;重庆市国省干线沥青路面结构主要是4cm上面层+5cm/6cm下面层+20~25cm基层+20~25cm底基层,单一的结构形式与重庆市复杂的气候交通情况呈现矛盾化。(2)对于重庆市国省干线沥青路面结构动力学响应,动载作用下路面结构路基顶面竖向压应变值小于静载作用,而基层底拉应力、沥青层竖向压应力及剪应力均大于静载作用;随着荷载轴重的增加,在整个加载时程及空间分布内,各个动力响应指标均有所增长;与高速状态相比,低速状态下基层底部拉应力、路基顶面竖向压应变、沥青层压应力及剪应变相对较高,剪应力较低,且低速状态各项力学指标对速度变化更加敏感;除剪应力外,各项力学指标随着温度的升高均有所提高,等温模型下力学响应指标均高于考虑温度梯度模型,高估了半刚性基层疲劳寿命及沥青层永久变形。(3)基层底部拉应力随着面层厚度、基层厚度以及基层模量的增加而逐渐减小,且影响程度顺序为基层厚度面层厚度基层模量;路基顶面压应变随着面层厚度、基层厚度以及基层模量的增加而逐渐减小,且影响程度顺序为基层厚度面层厚度基层模量;沥青层竖向压应力随着面层厚度增加而逐渐减小,随着基层厚度以及基层模量的增加而增加,且影响程度顺序为面层厚度基层模量基层厚度;沥青层剪应力随着面层厚度的增加而增加,随着基层厚度以及基层模量的增加而逐渐减小,且影响程度顺序为面层厚度基层模量基层厚度。(4)对于重庆市沥青路面结构建设期能耗及碳排放,考虑能源原料能远远高于未考虑能源原料能;水泥生产始终是单位工程下能耗及碳排放的主要来源,其次为沥青混合料拌和,集料运输环节的比例受运距存在显著性变化。运距较小时机械施工阶段的能耗及碳排放远远大于材料运输阶段,当运距较大时机械施工阶段的能耗及碳排放与材料运输阶段相差无几,甚至低于材料运输阶段;考虑原料能条件下,集料运输距离每减少1km,功能单位下能耗降低7027MJ,碳排放降低326.74kg;考虑原料能运距较小条件下,混合料拌合楼采用能源类型由重油更改为天然气,功能单位下能耗降低7.9%,碳排放降低5.6%。(5)当进行路面结构参数优化时,考虑原料能运距较小条件下,基层中水泥掺量每增加1%,功能单位下建设期总能耗增加113206MJ,总碳排放增加16435.8kg;面层厚度每增加1cm,功能单位下建设期总能耗增加113042.7MJ,总碳排放增加2981.8kg;基层厚度每增加1cm,功能单位建设期下总能耗增加41465MJ,总碳排放增加4839kg。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U416.217
【部分图文】：

降雨量,气候要素

万州 PG64-10 璧山 PG64-10 酉阳 PG64-10忠县 PG64-10 沙坪坝 PG64-10 秀山 PG64-102.1.4基于 GIS 的重庆地区干线公路运行环境分区2.1.4.1 重庆地区公路气候要素插值分析（1）气候要素插值方法理论上讲，气候要素的空间分布越紧密，气候分区精度就越高，但是气象站点有限，因此需要根据有限气象站点数据通过插值的方法推知不具备气象站点地区数据。目前常用的插值方法主要包括克里金插值法、样条函数插值法、趋势插值法、反距离权重插值法等[36][37]。反距离加权法是一种常被采用的以插值点与样点间距离为权重的插值方法，距离越近，权重越高，本章节采用反距离插值法进行重庆地区气候要素插值。（2）降雨量插值按照 GIS 插值分析步骤，利用反距离权重法对重庆市累年年均降雨量进行插值，重庆市 1980~2010 年 30 年累年年均降雨量图及累年年均降雨量等值线图分别见图 2-4。

等值线图,年均气温

重庆交通大学硕士学位论文渝东北城口、开州一带，渝西潼南、大足、永川地区累年年均降雨量最低，但分布在 980mm~1080mm 范围内。总体来讲，重庆市降雨量比较丰富，在进行重庆市沥青路面结构设计时，需要考虑水损害的影响。（3）气温插值1）累年年均气温重庆市 1980~2010 年 30 年累年年均气温图及累年年均气温等值线图分别见，从图中可以看出，重庆地区累年年均气温大概分布在 14℃~19℃，整个地区累年年均气温相差幅度不大。其中渝东北城口、渝东南黔江酉阳年均气温最低（<15℃），市区、渝西靠近市区及与东北万州开州地区年均气温最高。

极端最高温度,年均气温

从图中可以看出，重庆地区累年年均气温大概分布在 14℃~19℃，整个地区累年年均气温相差幅度不大。其中渝东北城口、渝东南黔江酉阳年均气温最低（<15℃），市区、渝西靠近市区及与东北万州开州地区年均气温最高。图 2-5 累年年均气温图2）累年年极端最高温度

【参考文献】