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原文传递水、动荷载耦合作用下沥青路面损坏机理分析与设计

论文题名：	水、动荷载耦合作用下沥青路面损坏机理分析与设计
关键词：	沥青路面;水损坏;动荷载耦合作用;有限元;多孔介质理论;孔隙水压力;渗透性;空隙率
摘要：	近年来，沥青路面在使用早期，特别是通车1～2年以后就发生了剥落、泛油、内部松散、翻浆、沉陷、坑洞、车辙和龟裂等新型早期损坏现象。其中有些损坏是水的作用直接导致的，有些是与水相关的，而有些则是在水的作用下加剧的。现场钻芯取样试样表明，由于车辆、水的综合作用，造成了沥青从下部向上部迁移。总之，水的存在直接或间接地影响了路面的使用性能，降低了路面的使用寿命。但是，目前有关水的研究重点主要集中在沥青混合料的水稳定性评价、抗水损坏材料的开发及施工的质量控制等问题上。尽管研究者们已经普遍认为路面内部的孔隙水压力是沥青路面损坏的主要诱因之一，但是对其进行理论计算与定量分析的研究还很少，水、动态荷载耦合作用下沥青路面的力学计算方面尚缺乏系统、深入的研究。　　就现行沥青路面结构设计计算来说没有考虑水对沥青路面的影响，它是基于单相均质材料的假设。但是从材料的角度来看，沥青混合料也不是一个连续的均匀介质，而是一个内部充满孔隙、裂隙的复杂的多孔介质体系。　　首先，基于多孔介质理论，将沥青混合料视为流固两相多孔介质材料，采用有限元软件ADINA对于典型半刚性基层沥青路面结构建立了动态荷载作用下的轴对称计算模型，定量的计算得出了沥青面层中孔隙水压力的空间分布和时程变化，并对比分析了不同荷载条件、车速、沥青层厚度饱和沥青路面孔隙水压力的变化规律。结果表明，孔隙水压力正向值在路表荷载作用中心位置最大，并随着深度和径向距离的增大而减小；高速重载交通将加速沥青路面使用性能地衰减；对于典型半刚性基层饱和沥青路面，当面层较薄时，其面层底部更易发生沥青膜地破坏。　　第二，计算分析了动态荷载作用下路面结构在两种不同流体边界条件下的孔隙水压力分布规律，并对沥青路面结构进行了参数敏感性分析。探讨了面层、基层模量变化时对面层内部孔隙水压力的影响。　　第三，采用正交试验设计方法，对沥青面层饱水沥青路面结构进行数值模拟试验，结果表明：影响面层内部正向最大孔隙水压力值的因素中，参数敏感性由大到小依次排列为：渗透系数，荷载峰值，行驶速度，面层刚度，面层厚度。　　第四，对于典型半刚性基层沥青路面结构建立了移动荷载作用下的三维有限元计算模型，而后对比分析了移动荷载作用下，饱和沥青路面与无水沥青路面三向应力、应变响应的时程变化规律以及竖向应力场的三维分布情况。结果表明，在移动荷载作用下，饱和沥青路面面层内的动力响应特性与其无水状态时不同；沥青路面在饱和状态下更易产生疲劳开裂、永久变形等结构性损坏；路面设计指标中采用弯拉应变更为合理。　　第五，对于两种典型路面结构：半刚性基层沥青路面、具有柔性基层的半刚性基层沥青路面结构分别建立了三维有限元计算模型，而后对比分析了两种路面结构在动态荷载作用下的竖向应力、竖向应变、孔隙水压力的空间分布情况以及时程分析。结果表明：具有柔性基层的半刚性基层沥青路面结构具有较好的抗水损坏性能，半刚性基层沥青路面结构则表现出较差的抗水损坏性能。　　第六，采用饱水沥青路面动力响应分析的轴对称有限元模型，计算分析了分层位不同渗透性下沥青路面孔隙水压力、路表弯沉、面层层底径向应变变化规律，并与其无水状态下的力学特性进行比较，得出分层位不同渗透性下水对于路面力学特性的影响程度。根据沥青混合料渗透系数与空隙率的关系，最终提出了防止沥青路面水损坏沥青混合料分层位空隙率设计的合理要求。　　最后，在上述分析的基础上，提出了考虑湿度因素的沥青路面结构设计方法的构想。
作者：	祁文洋
专业：	道路与铁道工程
导师：	任瑞波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文