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沥青路面流动型车辙的理论研究

王东升  
【摘要】:车辙,作为高速公路沥青路面最敏感的损坏形态,历来备受关注。随着公路运输体系的发展,加之环境上的全球气候转暖,当车辆荷载以重交通为主,公路建设即便采用大量的改性沥青作为材料控制措施,车辙的产生与发育仍发生了以流动型车辙成为其主导形态的重大变化;在这一发展过程中,发现原本以上、中面层贡献为主的车辙,出现以中、下面层为主的转变;加强中面层高温稳定性后,上面层的车辙却加剧变化。这些新的现象,反映出以往较少关注的路面结构因素,在车辙产生的过程中起着重要的作用,对这一因素展开研究,将直接影响到技术对策的选择,对当前高速公路以建设与运营并重的发展阶段,无疑具有重要的现实意义。而诸多学科的发展历史表明,深化研究各学科自身最重要的学术问题之一——“结构”议题,势必会涉及到强度理论、计算方法等基础理论,从而将促进道路工程学科在基础科研领域的发展。基于上述考虑,论文开展了以偏应力下形状变化为主的流动型车辙的理论研究。 根据结构组合改变路面结构应力与应变空间分布特征,以及材料的力学强度与其三向应力状态密切相关的理念,论文以应力空间分布的求解为研究方法,分析结构因素所起的作用。由于所分析的力学响应发生在材料、结构屈服阶段之前,可以采用准粘—弹性参数的层状弹性体系理论解析法。因此,首先以洛甫解反力递推法为基础,改进、编写程序,控制计算精度,实现多圆荷载下层状弹性体系力学求解,全面分析了荷载数量、荷载类型、层间接触条件等对路面结构复杂应力状态的影响规律,发展了现行规范的计算方法与程序。并进一步提出图谱分析法以表达路面结构应力空间分布;为了实现非线性分析,将路面物理、力学状态的连续演化,离散为各主要阶段分别计算,再加以综合关联,进行了结构演化的近似分析。 基于不同剪切强度理论的比较分析,论证了最大剪应力强度理论的适用性与局限性,其关键在路面结构第二主应力的特殊性。采用了广义剪切强度理论,考虑了路面结构演化过程弹性模量与泊松比的动态变化,结合室内非接触式沥青混合料位移场观测,进行的准弹粘塑性体系结构演化近似分析,不仅证明了在不同条件下重交通、高温环境、结构三者耦合作用,使得各结构层对车辙变形有不同的贡献,还给出了不同基层类型的沥青路面结构出现以中、下面层贡献为主的条件。 更重要的是基于结构组合对路面结构复杂应力状态与极限状态的影响,探讨了通过结构调控以缓解车辙变形的工程对策;针对基层与面层力学特性的协调,以及沥青面层层位间力学特性的协调,提出了具体原则;结合以三轴试验为手段的沥青混合料强度理论研究,从c与φ、E与μ、粘性与弹性的三方面协调关系,探讨基于层位力学状态控制的沥青混合料结构组成设计原则,给出了具体的图表可作参考。理论分析表明发展组合式结构是有效的,并给出了基本条件,这些结论符合当前重交通下一些试验路段的实践经验。


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