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原文传递山区高速公路长大纵坡段车辙形成规律研究

论文题名：	山区高速公路长大纵坡段车辙形成规律研究
关键词：	长大纵坡;沥青路面;车辙形成规律;广义Kelvin模型;重复单轴试验理论解;水平剪切力;山区高速公路
摘要：	随着我国公路事业的发展，高速公路尤其是其中的沥青混凝土道路逐渐向山区延伸。在山区高等级沥青路面中，由于车辆超载严重、行驶速度缓慢、频繁的制动启动，沥青路面在通行不久就产生了严重的车辙现象。车辙病害与山区的特殊地形显然有明显的关系。本文就是从山区高速公路的地形（道路的纵坡度和坡长）出发，进行山区高速公路中典型的载重车辆、一般的运行方式对道路路面的车辙病害产生规律研究。主要包括以下几个方面: 　　论文首先根据江西省高速公路的建设经验，在广泛收集国内外研究成果的基础上，为某条高速公路选定了路面结构。结合当地的气候变化特点，在已有气象参数的基础上，采用理论法分析了该高速公路实际的温度场分布状况，从而确定了这条高速公路产生车辙的温度区间，并且选用室内重复单轴试验分析路面组成材料的高温特性，同时获取这些材料在不同温度条件下的蠕变参数。为保证室内重复单轴试验的蠕变参数获取正确，论文给出了重复单轴蠕变试验关于应变的理论解答。基于该理论解答和实验仪器的计数规则，采用“剩余渐进法”和“最优化约束法”，给出了沥青混合料准确的蠕变参数值。　　其次，在对比各种沥青混合料本构关系的基础上，选择经典的广义Kelvin模型作为本文理论分析的材料本构关系。采用张量的记法，给出广义Kelvin模型在三维空间中应力-应变关系表达式。在此基础上，找到了一种稳定、快速收敛的数值积分方法，并且导出了广义Kelvin模型对应的切线刚度矩阵，从而为后续的有限元二次开发奠定了理论基础。利用有限元软件(ABAQUS)预留二次开发接口的实用工具，借助FORTRAN程序语言，编写了材料用户子程序UMAT。为验证所开发的材料用户子程序的正确性，论文给出了圆柱体试件在半正矢荷载作用下的应变响应、半无限空间体在集中力作用下的应力、位移响应的理论解答和有限元解答。对比这两种解答，验证了所编写的材料用户子程序的正确性。　　为准确描述车辆荷载作用下的沥青路面响应，论文借助有限元软件预留的二次开发接口编写了荷载子程序DLOAD（描述竖向移动荷载）和UTRACLOAD（描述水平移动荷载）。结合之前的广义Kelvin模型，分析了水平剪切力作用下的沥青路面高温永久变形规律，以及水平剪切力及对应的作用时间、竖向压应力及对应的作用时间对沥青路面永久变形的敏感性。这为后文综合分析山区高速公路长大纵坡路段车辙特性奠定了基础。　　再次，在分析我国载重车市场的基础上，确定了上典型的公路运输车车型，以及在长大纵坡爬坡路段典型车辆运动方式。在获取其各项参数后，通过理论法分析了速度-水平位置，荷载-水平位置的关系，在此基础上通过车速对交通运行的影响给出了长大纵坡道路坡度和坡长的初步界定。这部分中所取得的速度-水平位置关系、荷载-水平位置关系为后文综合分析山区高速公路长大纵坡路段车辙特性奠定了基础。　　最后，论文根据连续变温的车辙分析方法，采用基于车辙等效的轴载换算公式，对山区高速公路长大纵坡路段的车辙特性进行了全面、细致的研究。分别以单一特长纵坡和连续变化特长纵坡为研究对象，在给出其荷载模式及参数的条件下，重点分析了以下几个方面的问题:典型车辆满载或超载情况下，以低速、常规速度在单一长大纵坡爬坡时车辙的变化规律;典型车辆制动时在单一长大纵坡爬坡路段上车辙的变化规律;典型车辆满载或超载情况下，以低速、常规速度在连续变化长大纵坡上爬坡时车辙的变化规律;典型车辆在长大下坡路段上车辙的变化规律;回归车辙深度和轴载水平、坡度水平、速度水平之间的关系;给出基于车辙控制的山区高速公路坡度和坡长的限制方法。　　本文重点分析了典型车辆等功率爬坡时水平力分量对沥青路面车辙的影响规律。在山区高速公路长大纵坡路段的车辙分析方面所做的广义Kelvin模型三维本构关系推导、数值积分方法推导、室内重复单轴试验理论解答分析、UMAT、DLOAD以及UTRACLOD子程序的编写，典型车辆在等功率条件下爬坡规律、水平剪切力对车辙的影响、山区高速公路车辙的变化规律以及从车辙控制的角度对山区高速公路坡度、坡长的限制的分析，将促进山区高速公路长大纵坡路段车辙的研究，也为该路段沥青路面设计时考虑车辙因素提供相应的理论和方法。
作者：	李凌林
专业：	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：	2013
正文语种：	中文