高速公路路基结构分析及动变形设计方法

考虑汽车运动荷载,基于实测路面不平整资料,对影响动荷载的因素进行分析,提出了动力设计荷载参数的建议值。通过Odemark模量和厚度当量假定,将公路结构简化为3层体系,并利用弹性动力学原理及Fourier变换方法获得了路基顶面动变形的计算式。结合现有规范关于路面弯沉控制的思想,考虑路面路基的相互作用及协调变形,给出了路基顶面的动变形控制标准和确定方法,依据此标准提出了一种路基动变形控制设计的方法。最后以3种典型沥青公路结构为例,进行了路基动变形控制设计。     

周期荷载下盐岩的疲劳变形及损伤特性研究

利用RMT－150C型岩石力学多功能试验机,进行了盐岩单轴循环荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的疲劳强度、变形及损伤特性。试验结果表明,当上限应力大于“门槛值”时,盐岩疲劳破坏时的轴向应变可以分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏－密－疏的发展过程。改变上限应力和平均应力会显著影响疲劳的进程,提高上限应力值和平均应力值,初始轴向变形和循环轴向变形的比率都会提高,疲劳破坏时的总循环次数显著减小。盐岩疲劳破坏终点的变形量同样受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,控制误差范围在10%左右。循环荷载作用下,盐岩的变形模量经历了一个先逐渐增加,后缓慢降低,最后加速减小的过程。对循环荷载作用下盐岩疲劳损伤演化规律进行了初步探讨     

山区公路半填半挖路基沉降控制指标与标准研究

为了避免路基沉降导致路面结构破坏,对适用于山区公路半填半挖路基的沉降控制指标和标准进行了研究。首先,基于常泊松比假定,推导了三维Merchant模型的Prony级数表达式,并以ABAQUS为工具建立了半填半挖路基沉降计算模型。计算结果表明,半填半挖路基工后沉降曲线为“勺”形或“S”形,曲线形状的差异揭示了路基沉降的时空耦合效应。其次,基于路基工后沉降机制分析,提出了如下假定：半填半挖路基工后沉降曲线为中心对称的“S”形,对称中心两侧的曲线段为抛物线。通过沥青路面结构对抛物线形路基沉降的力学响应分析,揭示了路面结构附加弯拉应力与抛物线方程的二次项系数a具有线性关系,据此提出采用a值作为半填半挖路基沉降控制指标。最后,基于沥青路面结构在交通荷载和路基沉降共同作用下的破坏模式,提出了半填半挖路基沉降控制标准的确定方法。研究成果为合理控制半填半挖路基工后沉降提供了明确的技术依据。     

循环荷载下桩网结构路基和垫层动力响应研究

基于相似理论,开展了4组桩网结构路基大比例动态模型试验,测试了循环荷载下桩网结构路基的动力响应指标,研究了降雨前、后加载力、加载频率以及循环加载次数对路基的动力响应、桩土荷载分担以及垫层格栅应变的影响。结果表明,降雨后路基动应力和动加速度均会增大,并且在基床内部增速较快,而路堤下部其增长基本趋于稳定;循环加载期间桩土应力比缓慢增大,其受降雨影响敏感,雨后降幅可达56.4%～79.5%;循环加载完成后垫层格栅应变增大,其横向分布特征基本保持不变;土拱形成后路基填高继续增加,路基宽度范围内4桩中心格栅应变增幅较大,峰值出现在边坡中心和路基中心附近,横向分布呈“W”型;两桩中心的格栅应变由路基中心向坡脚处呈“台阶”型递增,而路基宽度与边坡范围的格栅应变差距不断缩小。     

水泥固化/稳定锌污染土的强度和变形特性试验研究

在不同水泥掺量不同和龄期条件下对不同Zn2+浓度的水泥固化/稳定重金属污染土(CHMS)进行了无侧限抗压强度试验。分析了CHMS的应力-应变关系和强度发展随Zn2+浓度的变化特性;采用参数（qu/qu,Zn0）对CHMS的无侧限抗压强度随龄期发展规律进行了评价;讨论了Zn2+浓度对破坏应变和变形模量的影响。结果表明,锌离子浓度对CHMS的无侧限抗压强度、破坏应变和变形模量的影响均存在“临界浓度”（0.05%）。低于“临界浓度”时,锌离子对CHMS的强度和变形发展影响不明显;高于“临界浓度”时,CHMS的强度和变形发展规律受锌离子浓度影响显著     

浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究

西部地区拥有储量最大的浅埋煤田,煤层顶板主要特点是基岩薄,地表为厚砂土层。浅埋煤层采动后,上覆岩层垮落运动将直接波及地表厚砂土层,引起采场强烈来压及地表塌陷等灾害。通过物理模拟试验,揭示了厚砂土层贯通地表裂缝的形成和发展规律,发现地表厚砂土层初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形岩柱”结构。通过建立厚砂土层“拱梁”结构数学模型,得出了“拱梁”内的应力分量,并给出了厚砂土层破裂的判据和出现拉裂缝的位置,为确定周期性“弧形岩柱”的有关参数提供了依据,为工作面顶板压力控制和地表塌陷的分析提供了基础。     

膨胀土路基沉降的模糊可靠度

由于影响膨胀土路基沉降的诸多因素,如含水量、孔隙比、固结度等的不确定性和随机性,导致路基沉降安全的极限状态并非如“临界点”所定义的那样绝对明确。运用模糊数学的原理,在分析膨胀土路基沉降的安全性时,将极限状态规定为在“零”附近的一个不确定区间,即引入“模糊临界区间”和“模糊极限状态”,从而,提出模糊可靠度的概念。进一步地阐述了膨胀土路基沉降的模糊可靠度的分析方法和步骤,并针对具体工程实例进行了模糊可靠度的计算,结果表明：按强度和稳定性设计原则设计的膨胀土路基沉降的模糊失效概率可能较大。     

考虑荷载作用的沥青混合料冻融损伤特性研究

针对寒区道路工程中的沥青路面冻融受荷损伤问题,借助细观损伤力学和宏观统计随机损伤模型,建立了冻融与荷载耦合作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程;探讨了冻融循环次数、应变和油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理。研究表明：冻融循环疲劳损伤累积和荷载作用于带有微缺陷粗集料界面附近产生的应力集中加剧了沥青混合料总损伤劣化程度。冻融循环20次之后,损伤度变化不大,基本趋于恒定;相同损伤程度时,应变值随冻融次数的增加而减小。油石比对总损伤影响显著,当油石比相对较小时,以冻融破坏为主;当油石比较大时,以受荷破损为主。研究成果可为寒区沥青路面抗冻设计、性能评价及养护维修时机选择提供参考。     

浅埋采场初次来压顶板砂土层载荷传递研究

通过实测发现了厚砂土层载荷传递现象,提出了顶板关键层载荷层载荷传递因子的概念。运用动态载荷相似材料模拟实验,得出了初次来压期间厚砂土层的“拱形”和“弧拱形”破坏特征,建立了载荷传递力学模型,得出了初次来压载荷传递因子的计算公式。     

路堤荷载下柔性桩复合地基沉降实用计算方法

根据等应变假设得到的复合地基加固区复合模量计算公式与实际路堤荷载下柔性桩桩土间的非等应变事实不符,因此,路堤荷载下复合模量法计算的沉降量多小于实测值。通过二维有限元方法分析了路堤荷载下复合地基变形特性。采用分层总和法反算加固区复合模量,提出了复合模量计算修正方法;并通过参数分析得到了各主要影响因素对复合地基加固区变形特性的影响;对比桩体设置前后下卧层变形差异,对下卧层沉降计算方法进行修正。由此建立了有限元方法与工程实用的分层总和法之间的联系,将有限元方法实用化,分别得到了路堤荷载下柔性桩复合地基加固区和下卧层的沉降实用计算方法。实例计算证明了所推荐方法的有效性。     

半填半挖式路基差异沉降对沥青路面结构影响分析

半填半挖式路基的差异沉降将对上承路面结构产生不利的附加力学响应。本文以层状体系为基础，将半填半挖式路基差异沉降变形作为路面结构层底的约束条件，建立沥青混凝土路面结构对半填半挖式路基差异沉降变形力学响应的平面有限元模型。系统分析不均匀沉降量、不均匀沉降长度、路面结构与材料参数等对附加力学响应的影响。通过正交因子分析，研究路面结构层的优化设计以改善路面结构的不利受力状态。最后，建议使用柔性基层或设置级配碎石等松散性材料底基层来削减基层底附加拉应力，在路面结构层的优化设计中应以基层厚度作为控制要素。     

土基模量随季节变化规律及其数值的确定

土基回弹模量作为路面设计的重要力学参数,在我国路面设计方法中选取最不利季节的土基回弹模量值作为土基的设计强度,没有考虑一年中含水量变化对土基强度的影响,本文通过分析土基回弹模量随季节含水量的变化规律,借鉴AASHTO设计方法中不同季节模量对路面造成的相对损伤思想,推导出等效回弹模量计算公式uf=0.95107E-5d,提出用等效土基回弹模量值代替最不利季节模量值作为土基强度设计值,不仅能够提高土基自身的抗变形能力,还可以很有效的提高沥青路面结构的整体设计强度。     

交通荷载作用下公路路基工作区深度研究

根据路面不平整实测资料,获得了汽车动荷载的计算模型和参数,并利用此荷载模式来分析公路结构的动力响应。考虑到公路结构的三维分层性状,利用Fourier变换技术和求解层状结构的精确刚度矩阵法,研究了公路结构在移动汽车荷载作用下的动力响应问题。为了方便工程应用,利用Odemark厚度和模量的当量转换公式,将公路结构简化为由路面、路基及地基组成的3层体系,并以此为基础分析了路基动应力的衰减规律,同时重点研究了汽车轴载大小、当量路面厚度及路基模量对路基工作区深度的影响,最后建议了路基工作区深度的定量表达式,研究结果可为公路路基设计提供参考。     

路面类型对多年冻土区片块石路基热状态的影响

为了研究不同路面类型对高温多年冻土区路基的热稳定性的影响,基于温度监测数据,针对沥青混凝土路面和水泥混凝土路面下片块石路基温度、热流密度、热收支变化、冻融循环过程及冻土上限变化进行了详细的分析。发现沥青混凝土路面和水泥混凝土路面都对片块石路基的温度有较大的影响,但沥青混凝土路面影响程度和深度远比水泥混凝土路面大。片块石路基中心热收支量呈上升趋势,沥青混凝土路面下其上升速率大于水泥混凝土路面,且路基阳坡热收支量大于阴坡。无论路面材料为沥青混凝土路面还是水泥混凝土路面,片块石路基阴阳坡路肩冻土仍处于不断退化阶段,而阳坡冻土上限下降速率明显大于阴坡。与普通路基相比,片块石层的存在能大幅度抬升或减缓路基冻土上限下降,且浅色水泥混凝土路面更有利于路基的热稳定性。     

基于传递-反射矩阵法的层状公路结构动力响应研究

利用传递-反射矩阵方法和叠加原理推导了双轮胎振动荷载作用下弹性层状公路结构的动力响应解,并利用Hankel数值逆变换技术进行了数值求解。弹性层状结构的传递-反射矩阵同时具有单个矩阵尺寸小、矩阵元素只含有负指数项2个优点,计算结果不受土层单元厚度与荷载频率大小的影响,可以大幅提高计算效率和精度。通过将数值计算与室内模型试验结果进行比较,验证了方法的正确性。在此基础上,分析了面层厚度及模量对层状公路结构动应力、动位移的影响程度和规律,得出了一些有意义的结论。研究结果可为公路路面、路基结构设计提供参考。     

山区公路典型沥青路面结构容许横向沉降差研究

大量的研究表明,路基不均匀沉降导致上部路面结构在车辆重复荷载作用下出现早期的破坏,严重影响了路面服务性能,而现有的路面结构设计未考虑路基不均匀沉降对路面结构的影响。在以往对路基不均匀沉降研究的基础上,采用有限元程序ABAQUS分析了在路基发生不均匀沉降条件下,路面承受车辆重复荷载作用的动力学响应以及路面开裂的变化过程,引入损伤变量定量描述了路面的破坏过程,分析了路基横向沉降差对路面开裂的影响,并参照路基边坡稳定安全系数的定义及规范取值。在此基础上,提出了山区公路典型沥青路面结构的容许横向沉降差值为2.2‰,并建议将其作为路基路面结构整体设计的一个控制指标加以考虑,以避免路基不均匀沉降导致的路面早期破坏,从而提高山区高等级公路的设计及建造水平。     

Numerical Analysis of Asphalt Pavements under Moving Wheel Loads

INTRODUCTIONThe design methods of asphalt pavement areusually based on the static and elastic analysis sys-tem,though the actual loads such as wheel loads andtemperatureloads are kinetic.The mechanic responseof the pavement is sensitive to the ti me-dependentvariables.Thereis an obvious difference betweentheresults obtainedfromthe kinetic systemandthe stat-ic system.Thus,the dynamic analysisis necessarytodescribe explicitly the working condition of the as-phalt pavement.The dynamic charac…     

多年冻土区路基尺度效应对路面结构力学响应的影响

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响. 结果表明：相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%. 高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏. 因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.     

Laboratory Comparison of Crushed Aggregate and Recycled Pavement Material With and Without High Carbon Fly Ash

In-place recycling of asphalt pavement materials is a sustainable rehabilitation method. Existing hot-mix asphalt (HMA) layer is pulverized and blended with some or the entire base course and possibly some subgrade to form a broadly graded material referred to as recycled pavement material (RPM). The RPM is then compacted as the new base course and overlaid by a new layer of HMA. In some occasions, additives are added to increase the strength of RPM base course, such as cement, emulsion, fly ash. It is plausible to utilize high calcium high carbon fly ash, as the high level of carbon prevents fly ash from being used in concrete. A series of laboratory tests were conducted to evaluate the performance of these materials, including crushed aggregate, untreated RPM, and treated RPM with high carbon fly ash. The tests included compaction, California Bearing Ratio, resilient modulus, and unconfined compressive strength for treated RPM. The engineering properties of these materials were compared.