基于土基模量衰變的路面結(jié)構(gòu)輪致?lián)p傷規(guī)律、機理及其防治對策.pdf

1、瀝青路面和水泥混凝土路面作為兩大主流路面結(jié)構(gòu)形式，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，但其受輪載重復(fù)作用，易產(chǎn)生永久變形、疲勞開裂等病害。作為抵抗變形能力描述的重要指標(biāo)，土基模量的衰變直接對路面結(jié)構(gòu)受輪載作用下的損傷模式及抗損傷能力產(chǎn)生不可忽視的影響。本文通過文獻閱讀和工程調(diào)研，在全面的回顧、總結(jié)路面結(jié)構(gòu)損傷研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于精細化數(shù)值仿真技術(shù)，依托已有的現(xiàn)場測試和室內(nèi)足尺動態(tài)模型試驗結(jié)果，全面研究了基于土基模量衰變的路面結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律和機理，并

2、針對土基模量易衰變地區(qū)總結(jié)了相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)損傷工程防治對策。論文所取得的研究成果如下:
　　(1)對土基模量表征的相關(guān)指標(biāo)，包括回彈模量、地基反應(yīng)模量、加州承載比CBR等進行了整理和分類，分析了它們彼此之間的內(nèi)在聯(lián)系，討論了現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范中關(guān)于土基模量的測定原理、方法、儀具等，明確了路基土受應(yīng)力狀態(tài)、填料類型、含水量、壓實狀況、級配組成等影響而誘發(fā)模量衰變的規(guī)律。
　　(2)基于有限元軟件KENSLABS，構(gòu)建起水泥混凝土路面

3、輪致?lián)p傷分析的計算模型，引入地基季節(jié)調(diào)整系數(shù)及零養(yǎng)護疲勞準(zhǔn)則，分析了土基模量整體削弱對路面疲勞開裂指數(shù)的影響;探討了當(dāng)量軸載系數(shù)與多軸通過一次的重復(fù)作用次數(shù)對土基模量的依賴性;獲得了不同土基模量下板厚、水泥混凝土抗彎拉強度、軸重、荷載重復(fù)作用次數(shù)等主要路面設(shè)計參數(shù)與路面開裂指數(shù)的關(guān)系，分析了水泥穩(wěn)定碎石基層對疲勞開裂損傷的影響。結(jié)果表明:水泥混凝土路面疲勞開裂指數(shù)隨著地基季節(jié)調(diào)整系數(shù)的減小而增大，且增大速度隨地基季節(jié)調(diào)整系數(shù)的減小而加快

4、;當(dāng)量軸載系數(shù)及多軸通過一次的重復(fù)計算次數(shù)受到板厚及土基模量的影響;水泥混凝土路面疲勞開裂指數(shù)隨著面板厚度、水泥混凝土抗彎拉強度、單軸軸重、單軸每日重復(fù)作用次數(shù)而改變的幅度與土基模量直接相關(guān);在提高土基模量的同時，宜優(yōu)先考慮適當(dāng)增加板厚，嚴(yán)禁超載，設(shè)置水泥穩(wěn)定基層等措施，從而控制水泥混凝土路面受輪載作用的疲勞開裂。
　　(3)依托成德南高速公路瀝青路面工程試驗段，分別從基于彈性層狀體系理論的靜力學(xué)分析和現(xiàn)場車輛移動輪載動力測試兩個

5、角度，分析、比較土基模量一致條件下半剛性基層、倒裝式和組合式三種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)受輪載作用的力學(xué)行為。研究結(jié)果表明:瀝青路面相對更易出現(xiàn)橫向疲勞開裂;路面結(jié)構(gòu)厚度相同的情況下，半剛性基層瀝青路面在減少瀝青面層本身的疲勞開裂和永久變形方面優(yōu)勢較強，組合式瀝青路面與半剛性基層瀝青路面受力情況接近，可部分替代半剛性基層瀝青路面;倒裝式瀝青路面面層層底動應(yīng)變對軸重影響不甚敏感，但宜適當(dāng)增加瀝青面層或瀝青穩(wěn)定碎石基層厚度以改善其受力狀況;應(yīng)嚴(yán)格控

6、制瀝青穩(wěn)定碎石基層拉應(yīng)力，以減少倒裝式瀝青路面和組合式瀝青路面疲勞破壞。
　　(4)依托成德南高速公路瀝青路面工程試驗段，基于彈性層狀體系理論軟件KENLAYER，在考慮瀝青面層粘彈性，級配碎石基層非線性和行車荷載移動性的基礎(chǔ)上，討論了土基模量對半剛性基層、倒裝式和組合式三種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)損傷的影響差異，并進一步分析了該試驗路段受車輛勻速移動輪載作用下的瀝青面應(yīng)變力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明:土基模量衰變對瀝青路面永久變形損傷的影響整體大

7、于疲勞開裂損傷;三軸荷載作用下的瀝青路面輪致?lián)p傷率大于雙軸，其次大于單軸，且車速越慢，行車荷載對路面結(jié)構(gòu)受力越不利;單軸荷載作用下的疲勞開裂損傷率對土基模量衰變的敏感程度大于雙軸，其次大于三軸，對永久變形損傷率而言，這個排隊反向;不同軸重下的輪致?lián)p傷率對土基模量衰變的敏感程度差別不大，但車速越快的行車荷載，其導(dǎo)致的疲勞開裂損傷對土基模量衰變的敏感性越明顯;將路面結(jié)構(gòu)分別按其疲勞開裂損傷率和永久變形損傷率對土基模量衰變的敏感程度降序排列，

8、依次為倒裝式、組合式和半剛性基層瀝青路面和倒裝式、半剛性基層和組合式瀝青路面;冬季時的倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)在預(yù)防路面疲勞開裂損傷方面有一定優(yōu)勢，但其抗疲勞開裂損傷能力的季節(jié)依賴性偏大;相對而言，半剛性基層瀝青路面抗疲勞開裂損傷能力受季節(jié)影響程度最小;荷載與季節(jié)條件的綜合作用會明顯增大輪載作用下的疲勞開裂損傷，其中又以倒裝式瀝青路面最為顯著;夏季時，應(yīng)尤其重視車輛超載的控制，避免瀝青路面疲勞開裂損傷的迅速累積。
　　(5)作為特例，及

9、考慮我國使用的普遍性，對土基模量衰變條件下半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行了針對性討論?；谑覂?nèi)足尺動態(tài)模型試驗，分析了土基含水量和壓實度對半剛性基層瀝青路面永久變形和基層層底應(yīng)力的影響;在考慮瀝青面層粘彈性，級配砂礫底基層、土基非線性和行車荷載移動性的基礎(chǔ)上，運用彈性層狀體系理論軟件KENLAYER，討論了土基模量對半剛性基層瀝青路面損傷的影響。結(jié)果表明:土基模量越大，增加面層、基層和底基層厚度對提高由永久變形控制的設(shè)計壽命的作用越明顯，土

10、基模量越小，增加底基層厚度對抑制瀝青路面疲勞開裂損傷的效果就越明顯;從提高瀝青路面設(shè)計壽命來說，土基模量偏大時，面層和基層厚度都有一個相對合理值，底基層厚度增至某一臨界值后對提高設(shè)計壽命已無明顯作用;在土基模量偏小時，增加各結(jié)構(gòu)層厚度均可相對有效提高瀝青路面設(shè)計壽命;隨著土基模量的降低，控制瀝青路面設(shè)計壽命的損傷模式或發(fā)生轉(zhuǎn)化;對受永久變形控制的設(shè)計壽命，核心參數(shù)按影響程度從大到小排隊依次為土基模量、面層厚度、基層厚度和底基層厚度;對受