全温域条件下基于叠加原理的沥青路面永久变形预估研究

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沥青路面的永久变形问题一直是国内外研究的关键难题之一。鉴于我国高速公路普遍采用半刚性基层沥青路面结构,导致沥青路面永久变形主要集中于面层结构。沥青层的永久变形成为沥青路面的主要病害之一。现行分析沥青路面永久变形时,主要集中研究高温阶段,对中低温阶段的永久变形研究相对较少,且往往忽略路面结构不同层位间的温度差异和路面全年温度分布频率特征。为了更加准确、科学合理的进行沥青路面永久变形的预估,本文从全温域的角度出发,综合考虑环境温度和交通荷载两大主要外界影响因素,以流变学理论和叠加原理为基础,通过工程调研、室内试验、理论分析和数值计算等综合研究手段,分析得出了全温域条件下沥青路面沥青层永久变形的叠加规律,提出了一种较为系统的沥青层永久变形预估方法。主要研究成果及结论概括如下:(1)通过对重庆市、江西省、云南省6条高速公路沥青路面车辙的调查及统计分析,总结了高速公路沥青路面的车辙特征和成因,并以5mm作为间隔将车辙深度分成四个区间进行车辙深度频谱分析,更为准确地评价沥青路面的车辙破坏程度。同时,提出了采用概率测算法计算路面全长车辙平均深度作为现场实测值,为沥青路面永久变形预估及模型修正提供数据支撑。(2)以重庆市、江西省赣中地区、云南省三个地区的沥青路面作为研究对象,以距离路表1cm处的温度作为路表代表温度,以5℃作为间隔温度划分温度区间,通过实测及模型计算得到全温域温度分布控制指标,即沥青路面全年温度分布频率和沥青层沿深度的温度分布曲线。同时,构建了沥青路面结构温度T、路表代表温度T0和路面结构层深度h的高速公路沥青路面沥青层温度分布预估模型,实现了温度对沥青路面永久变形影响的全覆盖研究。(3)通过对江西省、云南省多条高速公路交通荷载特性资料搜集以及实地轴载调查,提出高速公路的典型轮轴类型和轮轴组合形式以及横向分布特性;通过汇总车型比例、各代表车型轴载等级分布频率,计算得到江西省、云南省多条高速公路单轴双轮组、双联轴双轮组以及三联轴双轮组轴载分布图,并换算轴数后最终获得高速公路沥青路面单轴双轮组轴载分布图,为后续研究提供交通轴载分布的数据支撑。(4)根据三轴重复荷载永久变形试验,得到了 AC-13、AC-16、AC-20、AC-25、SMA-13、ATB-30六种沥青混合料不同温度及不同偏应力时荷载作用次数与永久应变的关系曲线,系统研究了低、中、高温不同阶段的永久变形规律。以流变学理论为基础,基于修正Burgers模型得出了重复荷载作用下沥青混合料的黏弹性力学模型,并进行了参数拟合,效果良好。开展了沥青混合料黏弹性力学模型通用性和修正研究,即构建了温度、偏应力与力学模型参数的关系方程和确定了不同温度区间的平均修正系数,可求解任意温度和任意偏应力条件下不同荷载作用次数的沥青混合料永久应变。同时,开展了沥青混合料的动态模量试验,系统分析了温度和加载频率对动态模量的影响,建立了六种典型沥青混合料的动态模量主曲线。(5)提出了全温域条件下基于叠加原理的沥青路面永久变形预估方法。通过建模计算分析了典型路面结构偏应力的分布规律,给出了行车速度、基层模量、基层厚度、面层厚度变化时,其偏应力变化系数;建立了不同温度区间的沥青层偏应力分布预估模型。通过引入分区分级分层的思想,即温度分区、轴载分级、路面分层的思想,基于反算累积叠加荷载作用次数永久应变计算方法,提出了全温域条件下基于叠加原理的沥青路面永久变形预估修正模型,其理论修正系数取值为1.93,温度修正系数取值为1.06(20℃以下温度分布可忽略),为全面、准确地预估沥青路面永久变形提供了一种新方法。(6)提出了基于全温域温度分布的沥青路面永久变形预估简化模型,即建立了沥青路面温度区间内的平均永久变形量与荷载作用次数关系方程和永久变形与温度区间内的平均永久变形量、温度分布频率的关系方程,为全温域条件下沥青路面永久变形快速预估提供了一种新方式。
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