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原文传递考虑冲刷脱空的水泥混凝土路面设计研究

论文题名：	考虑冲刷脱空的水泥混凝土路面设计研究
关键词：	疲劳方程;轴载换算;荷载疲劳应力;荷载应力;有限元模型;设计方法;路面设计
摘要：	我国水泥混凝土路面早期损坏比较严重，造成这种现状固然有施工质量差，后期养护不到位等原因，但重载交通条件下路面基层材料抗冲刷能力不足，路面结构设计没有考虑板底冲刷脱空对路面结构的影响，路面面层设计厚度过薄是造成目前我国水泥混凝土路面早期损坏一个深层原因。本文深入开展了路面行车荷载与水耦合作用下基层冲刷和路面板底脱空发展规律研究，提出可应用于路面结构设计的基层抗冲刷试验方法和评价指标；建立了路面板底冲刷脱空预估模型，通过板底脱空路面结构三维有限元计算及回归分析，给出了脱空路面荷载应力计算公式；依据室内混凝土小梁疲劳试验理论推导出可用于脱空路面计算的变荷载重复作用下混凝土小梁疲劳方程，提出了脱空路面荷载疲劳应力计算方法。综合上述研究，系统提出了考虑路面板底冲刷脱空的水泥混凝土路面结构设计方法。水泥混凝土路面调查分析表明，现行水泥混凝土路面设计方法没有定量提出基层材料抗冲刷评价指标和标准，路面面层厚度设计没有考虑基层冲刷和路面板底脱空影响，路面面层设计厚度过薄是造成我国水泥路面早期损坏一个深层原因。路面板底冲刷唧泥现象只在大气降水和雨后板底脱空区处于半饱和状态的时间段内出现，板底冲刷水压力与车速和轴重有关。车速越高，水压力越大：轴重越大，水压力越大。综合考虑路面基层材料实际使用条件，提出考虑荷载作用次数的基层材料抗冲刷评价指标一冲刷系数k，推荐水压力50 KPa作为材料冲刷试验标准水压力。研究开发了水压力可调的气动冲刷试验机，进行了水泥土、二灰土及二灰碎石材料冲刷试验，得出二灰土抗冲刷性能最好，二灰碎石次之，水泥土最差。路面板底脱空体形状接近于圆锥体或棱锥体，脱空高度与脱空面边长相比非常小，通过引入基层材料冲刷系数，及降水天气修正系数kd概念，提出了路面初始使用阶段冲刷脱空预估模型和路面出现脱空后脱空预估模型。建立了路面板边纵缝中部和板角脱空三维有限元结构分析模型，通过计算得出路面板底出现脱空后，荷载应力随板底脱空面积的增大而显著增加。进一步分析表明，对于板边纵缝中部脱空，板内荷载应力与板底脱空半径是指数关系，与路面板的相对刚度半径是乘幂关系。对于板角脱空路面，板内荷载应力与脱空半径是线性关系。通过对有限元计算结果回归分析，得出板边纵缝中部脱空和板角脱空荷载应力拟合公式，在综合考虑基层顶面当量模量变化和荷载轴重变化基础上，提出脱空路面荷载应力计算公式。依据室内混凝土小梁疲劳试验基本理论，推导出可用于脱空路面计算的变荷载重复作用下混凝土疲劳方程。通过引入降水天气修正系数kt，提出考虑路面板底脱空和冲刷的路面板荷载疲劳应力实用计算公式。依据疲劳损伤等效原则，提出可用于路面荷载应力分析的脱空路面轴载换算关系式。综合以上分析，系统提出了考虑路面板底冲刷脱空的水泥混凝土路面结构设计方法，并给出了路面设计流程图。
作者：	张擎
专业：	道路与铁道工程
导师：	王选仓
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文