详情

原文传递甘肃省沥青路面结构环境效应分析及其力学响应研究

论文题名：	甘肃省沥青路面结构环境效应分析及其力学响应研究
关键词：	道路工程;沥青路面;环境效应;温度应力;温度-荷载耦合
摘要：	交通荷载环境和自然环境是沥青路面结构的主要工作环境，也是导致沥青路面产生病害的主要因素，重载交通和复杂自然环境条件的作用使得沥青路面寿命不足的问题日益凸显。沥青路面在荷载和环境耦合作用下，产生以疲劳开裂和低温开裂为主的路面开裂和以车辙为主的永久变形。温度和荷载的反复作用使得路面长期处于应力交迭变化的状态，损伤逐渐在路面内部累积，到一定程度时便发生了疲劳开裂，当路面内部温度收缩应力超过混合料极限拉应力时将直接产生低温裂缝，同时高温季节导致沥青路面混合料变软，在重载作用下易导致材料发生迁移而产生车辙。此外，水汽和太阳辐射等因素会在路面服役过程中造成沥青粘附性的降低和沥青的老化，间接影响路面材料的服役力学特性。甘肃省特殊的地理位置，造就了其复杂的气候环境，导致不同地区路面经受着不同的环境作用，其病害特点和发展速率均有所不同，要提高甘肃省沥青路面服役寿命，首先就要明确环境作用对路面结构的影响，得到不同地区环境变化规律，以便有针对性地对路面结构和材料设计进行调整，降低环境因素对路面的损伤效应。　　本文首先以甘肃省临清高速公路试验路和武威过境段试验路为研究对象，通过现场和历年路面检测数据的调研，统计了其裂缝分布、车辙、平整度和路面损坏状况指数，分析了不同试验结构在特定环境下随时间的服役性能变化规律，并通过病害影响面积评价了相应的环境效应。同时，通过甘肃省不同地区高速公路气象站，采集了2017～2019年路面不同深度的温湿度、太阳辐射、风速、降雨等环境数据，采用统计学方法，分析了不同地区的气候变化规律，明确了不同地区路面服役环境的差异，并采用有限元方法模拟分析了在最不利环境条件下各地区温度应力和温度疲劳寿命。最后以京藏高速兰州段为例，统计了12个月的交通量及车辆载重，通过轴荷分布系数确定了其不同轴型轴载谱，并分析了其在荷载-环境耦合作用下经受环境效应的影响。本研究主要结论有:(1)通过对两条试验路及相邻主线路段的服役性能分析，发现临清试验路内半刚性基层结构路面前期裂缝病害发展速率快，后期慢，通过调整基层材料可以有效减少裂缝;倒装式基层结构路面以裂缝类病害为主，整体宽度大;柔性基层结构路面主要表现为裂缝密集，服役早期裂缝发展速率慢;武威过境段试验路各结构病害无较大差异，但是主线路段在经过开普封层和微表处养护后能够有效地抑制裂缝病害的发生;此外采用病害影响面积初步确定了临清试验路不同结构损伤的环境效应在24％～44％之间。　　(2)甘肃省不同地区沥青路面服役温度差异大，路表下10cm处沥青层温度变化在-13.75℃～48.7℃之间，路表温度变化更大，半刚性基层温度变化范围为-11.35℃～43.20℃，路面不同深度变温速率季节性较强，路表变温速率差异大，10cm处变温速率主要集中在±3.00℃/h之间，在路表下50cm变温速率主要保持在±0.40℃/h之间，同时建立了不同地区沿深度变化的变温速率方程，相关系数在0.98以上，并得到路表沥青混合料最大升温速率在4.38℃～8.43℃之间，最大降温速率在2.88℃～5.92℃之间。此外，降雨和湿度的共同作用，能够导致路面内部的湿度急剧增长和急剧下降，其他因素均表现出一定的季节性和地域性。　　(3)温度应力变现为较强的季节性和日周期性变化，不同地区最大温度应力在0.512MPa～1.596MPa之间，同时温度梯度在一天内经历着由负变为正再到负的变化过程，最大正温和负温梯度分别为160.3℃/m、123.6℃/m;通过多因素线性回归分析，建立了环境因素与路表温度应力的回归方程，确定了路表温度应力的主要影响因素为日最大温差和地温;此外采用Miner线性累积损伤理论确定了甘肃省不同地区在最不利温度应力条件下寿命在1.34年～6.85年之间。　　(4)以京藏高速兰州段为例，通过轴荷系数分析得到了三种不同轴型的轴载谱，并确定了相应的特征轴载，分别为11.73t、17.74t、32.19t;通过计算确定了春秋季节温度应力对温度-荷载耦合应力影响较小，冬季影响较大，随着深度的增加，耦合应力及其影响范围逐渐减小，同时距离轮载位置越远，耦合应力越接近温度应力;同时采用Mises综合应力对环境作用进行评价时，沿深度方向环境作用影响程度表现为冬季逐渐减小，春秋季节为先减小后增大，环境效应造成的损伤沿深度方向依次为70.53％、41.90％、27.13％、23.77％。
作者：	李启东
专业：	道路与铁道工程
导师：	李波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022