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基于层位功能的重载沥青路面结构与材料设计研究

沈燕  
【摘要】:随着国民经济的快速发展,公路交通运输事业得到了蓬勃发展,重载、超载现象日益突出。沥青路面作为我国高等级路面的主要结构形式,往往在设计年限内无法满足重载交通的需求而发生严重的早期破坏,车辙和裂缝的频繁出现,严重缩短了沥青路面的使用寿命。因此,结合各结构层层位功能要求,深入研究能够抵抗重载交通反复作用的沥青路面结构与材料组合设计具有深远意义。首先,本文通过调查京沪高速动态称重系统(WIM)记录的基础数据,统计分析其交通组成和轴载特性,绘制了实测交通轴载谱,选取120kN和140kN分别作为京沪高速超车道、行车道的代表轴载;根据京沪高速沥青路面养护管理决策支持系统(PMS)记录的数据,选取了重载代表路段,以车辙和横缝为典型病害,从重载交通和路面结构形式两方面分析了典型病害的成因,为重载沥青路面结构类型的选取提供依据。其次,选取无机结合料稳定类基层沥青路面和沥青结合料类基层沥青路面两种路面结构形式,利用ABAQUS有限元软件,基于弹性层状体系理论,分析了面层厚度、面层模量梯度、重载和水平力对沥青路面受力特性的影响,结合沥青路面主要设计指标,得到了各种沥青路面结构最佳厚度组合和面层模量梯度推荐方案;采用灵敏度分析,确定了重载沥青路面的关键设计指标及设计要点,为重载沥青路面结构与材料组合设计提供依据。然后,针对京沪高速重载交通特性和典型病害成因,分别选取SMA-13、Sup-20、Sup-25 级配沥青混合料作为上、中、下面层材料,通过室内试验测定七种面层沥青混合料的路用性能和力学性能。试验结果表明,七种面层沥青混合料的路用性能和力学性能均能满足要求;掺加玄武岩纤维后,沥青混合料的高温抗变形能力和低温抗裂性能稍有改善,水稳定性改善效果不明显,抗剪性能和疲劳寿命得到大幅提高。最后,根据力学响应结果拟定路面结构类型,通过面层厚度与材料实测模量的合理组合,以充分发挥各个结构层的层位功能为组合设计原则,得到常规无机结合料稳定类基层沥青路面、“薄面”无机结合料稳定类基层沥青路面和沥青结合料类基层沥青路面三种推荐路面结构。利用好路网软件,根据京沪高速实测交通参数和面层材料性能,对推荐路面结构进行验算,均能满足重载沥青路面设计要求。研究成果将直接在京沪高速江苏段路面维修养护及拓宽改建工程中实际应用,同时对我国重载交通下的新建和改建高速公路的路面结构设计具有较大指导意义。


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