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原文传递长寿命复合式沥青路面结构状态检测与疲劳寿命研究

论文题名：	长寿命复合式沥青路面结构状态检测与疲劳寿命研究
关键词：	沥青路面;板底脱空;应力预测;脱空判识;弯沉检测;层底拉应变;疲劳寿命预估
摘要：	尉氏至许昌高速公路是日照至南阳国家重点公路的重要组成部分。尉许高速公路建设期采用了水泥混凝土路面+沥青混凝土（含应力吸收层）的“长寿命复合式沥青路面结构”，并开展了设计与施工关键技术研究。该结构采取了诸多保证路面的长期服役性能的方法，包括采用增强路基、高抗折混凝土、大厚度较小尺寸水泥面板、设置应力吸收层等措施。但经过约 15 年的服役运营后，尉许高速全线出现了反射裂缝和结构断裂等破坏，需要进行全面的路面养护维修。论文以尉许高速公路养护维修工程为依托，故仍采用原有“长寿命复合式沥青路面结构”这一术语。论文通过现场足尺复合路面力学响应测试，并与有限元仿真分析相结合，重点研究该结构的板底脱空检测与判识标准，裂缝反射规律与沥青层开裂疲劳寿命预估，最终形成混凝土板应力预测方法、板底脱空检测与判别、沥青面层裂缝疲劳寿命预估方法。论文主要包括以下几个方面的内容：　　（1）在总结归纳传统复合道路与刚性道路理论模拟的基础上，应用大型有限元软件ABAQUS，通过建立Winkler地基上的自由板模型，分析讨论了诸多建模参数对模型计算结果的影响，并相应提出了这些参数的建议取值范围，并建立考虑板底脱空和接缝传荷耦合作用的水泥路面三维有限元分析模型，为后续章节的仿真模拟奠定理论基础。　　（2）基于建立的单板有限元模型和双板有限元模型，选取了对水泥面板应力影响较大的若干参数，详细分析各参数对面板应力的影响机理，重点关注应力变化过程中面板最大应力位置的变化规律。通过分析回归各工况下仿真结果，建立了同时考虑脱空尺寸、面板厚度、荷载大小的绝对脱空路面结构面板应力计算公式，通过计算验证表明，该公式误差在3%以内，具有极高的精度。　　（3）在水泥路面有限元模型的基础上结合FWD弯沉盆现场实测数据，建立复合路面弯沉分析有限元模型，通过仿真模拟分析了各指标对路面弯沉的影响，得到路面弯沉响应变化规律。依托尉许高速公路实体工程展开板底脱空现场检测，采集现场880个点位弯沉值，对比分析现行5种检测方法的适用性。基于仿真模拟得到的响应规律和现场检测数据，提出基于FWD单点弯沉值的板底脱空评价方法。提出的复合路面脱空评价方法适用于沥青层厚度不超过10cm的复合路面，且宜在非夏季进行脱空检测，能够在保证较高检测精度的情况下大幅度减小FWD工作量，可指导高速公路长寿命路面检测养护工作，完善相应技术规范。　　（4）结合尉许高速公路检测养护工程，在沥青层底埋设应变传感器，现场实时检测沥青层底拉应变，研究以FWD和货车作为荷载源时沥青层的力学响应。然后根据测量结果选择合适力学参数建立复合路面的车辆荷载有限元模型和温度荷载有限元模型，讨论诸多指标对路面力学响应的影响规律。基于断裂力学理论，在已建立的车辆荷载和温度荷载有限元模型上计算沥青层的2种应力强度因子，基于计算结果建立复合路面沥青层开裂疲劳寿命预估模型。本文提出的复合路面沥青层裂缝疲劳寿命预估模型已利用多条高速公路复合路面实际标准轴载次数进行验证，预测效果较好，可用于指导复合路面的设计与建设。　　论文分析得到的复合路面受力响应规律能够帮助认识复合路面脱空机理，提出的复合路面脱空评价方法可以大幅度减小脱空检测工作量，建立的复合路面沥青层裂缝疲劳寿命预估模型能够较好的预测复合路面服役寿命。论文的研究为长寿命复合路面的设计、建设与检测工作提供了理论基础与技术指导。
作者：	刘邦一
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	黄晓明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022