长寿命沥青路面力学分析与优化

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1、』=海大学硕士学位论文Monismith于1992年在TRB会议上提出了一种基于力学的设计方法，设计时，由材料、交通、环境及服务性能等决定路面结构组合。(2)结构设计指标：根据加州的设计指标，单轴载为80kN时沥青混合料层的弯拉应变小于70ue；路基顶面垂直应变小于200l-te。伊利诺斯州交通厅的设计中要求沥青混合料基层的弯拉应变小于60I．Re。加州研究认为，需观测表面层的剪切应变，以确保路面不发生车辙，但未提出指标；伊利诺斯州认为可根据表面层剪应力分析决定磨耗层厚度，但目前并无相关研究。国内，孙立军教授等，通过对火量实例的计算，探讨了临界应变与路面使用寿命的关系。提出，适应于中国

2、实际情况的长寿命沥青路面设计指标，其中，HMA层底拉应变应小于120pe，同时竖向土基压应变2801．te【251。1．3．4长寿命路面经济分析尽管长寿命路面整体结构层较厚，尤其是沥青面层比较厚，对士基稳定性要求高，因此初始投资相对比较大，但通过国外众多研究者的分析，认为长寿命路面能很长时间避免结构性维修，能大量节省养护费用，减少交通延误，应用于重交通道路具有显著的经济效益和社会效益雎6-30]。1．4论文的主要研究内容本文依托交通部两部交通科技建设项目“重载交通长寿命沥青路面关键技术研究”江苏连盐试验路，借鉴沙庆林院士最新研究成果——新型SAC级配的设计与应用，采用我国规范常用技术方

3、法与指标，对硬质沥青SAC的配合比进行设计，得出性能优异的沥青混合料，并力学理论的基础上，建立长寿命沥青路面优化的基本流程。主要研究内容如下：1)依据规范，测定试验路段中采用的AH．30沥青，SBS改性沥青以及石灰岩、玄武岩的性能指标，并满足马歇尔残留稳定度、冻融劈裂、车辙试验的要求，提出SAC．13，SAC．20以及SAC．25的目标配合比。并得出令人满意的室内试验结果，特别是动稳定度能够达到3000次以上，大大超出了以往基质沥青混凝土；同时对于填料由水泥取代矿粉，使得抗水损害能力也相应得到提高，TSR值基本在85％以上。2)通过材料的室内性能试验，提出使用硬质沥青是基于我国路面实际

4、情况，解决车辙问题的一个有效途径。但由于室内外性能差异的存在，也需实体工程的进一步检验。3)测试了SAC系列沥青混凝土的静态抗压强度、同弹模量和劈裂模量，并对试验路段上中下三层沥青混凝土的静态抗压回弹模量和动态抗压回弹模量进行了比较测试。4)采用应力控制方式进行小梁弯拉疲劳试验，得出了硬质沥青SAC25、SAC20的疲劳方程。与以往疲劳试验结果比较发现，尽管沥青用量有所降低，但硬质沥青混凝十的疲劳寿命依然有大幅度提高，从而表明在我国当前大范围采用半刚性路面结构情况下，中下面层采用硬质沥青混凝十是合理的。5)出于对于路面破坏形式的进一步了解，本文通过有限元仿真，作重分析了最不利载荷(刹车

5、)作用下，沥青路面的动态响应。提出了不同车速、轮载作用下，路面的附着系数，进而计算出水平刹车力的大小，摒弃了往前单独使用假定系数乘以轴载计算水平力的方法，建立了相关的理论依据。并在此基础上，分析了重载车辆(1．0MPa)在刹车过程时，路面结构中最大应力的出现位置和数值大小，对于路面结构的力学变化规律进行了一定层度上的探索。6)同时，通过有限元计算，我们得出该路面结构由于层底弯拉应力而产生破坏的疲劳寿命为108次以上，基本满足长寿命沥青路面40年无结构性破坏的要求。但同时由于剪切14上海大学硕一L学位论文产生的破坏，在城市道路中，由于剪应力引起的车辙现象，显得更为突出。且由于我国路面设计

6、规范中，依然取用弯沉值、最大弯拉应力为控制指标，本文建议对于城市道路设计时，应补充剪应力指标，用以防治路面结构中由于局部抗力不足而导致的破坏。7)通过正交分析方法，分析路面结构中各材料参数的变化，对各沥青路面设计指标的影响，定性地提出沥青路面的优化趋势。并得出士基模量的变化对于路表最大弯沉值的影响十分显著。土基模龟的增加能有效地减小路表最大弯沉，意味着路面整体承载性能的提升。基层厚度也是影响路表最火弯沉值、基层层底最大弯拉应力的重要因素，一定厚度的基层起到扩散荷载的作用。同时，厚度的增大也显著减小了土基的竖向应变，即对于路面永久变形的控制是有益的。8)通过对基层层底弯拉应力的趋势分析，

7、可知，对于基层模量可适当降低，而对于底基层的模量可以适当提高。9)基于遗传算法理论，以路面的行为函数为立足点，编写长寿命沥青路面的结构优化程序，有效地将工程造价与路面性能、强度、结构组合和环境冈素进行有机结合，从理论以及实用性上，突破了传统优化方案过重强调初始投资的局限。为长寿命沥青路面的大规模采用，提供了一定的理论依据。并编写出基于使用性能的沥青路面优化程序，较好地将路面使用性能指标与沥青路面设计标准结合起来，对于日后的沥青路面优化程序建立了