【博士】水泥稳定碎石基层沥青路面开裂机理及抗裂设计方法研究【2008】

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内容简介

　　学科专业：道路与铁道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：东南大学　　学位年度： 2008年　　我国高速公路事业发展迅速，截至2007年底，全国高速公路通车里程已达5．3万公里，其中90％以上采用半刚性基层沥青路面，水泥稳定碎石基层则是半刚性基层结构的主要类型之一。由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下容易产生收缩开裂，车辆荷载和温、湿条件循环地作用使得基层裂缝向上反射到沥青面层，产生严重的反射裂缝问题，同时，沥青面层在温度和行车荷载综合作用下也会产生表面裂缝，并随着使用时间的增加逐渐往下层结构中发展。工程实践表明，水泥稳定碎石基层沥青路面结构的裂缝病害已成为该路面结构的主要缺陷，所以有必要对基层收缩裂缝、反射裂缝和表面裂缝进行深入研究，掌握其形成和扩展机理，并在此基础上提出相应的路面结构抗裂设计方法。　　本文在查阅大量国内外相关文献及研究成果的基础上，利用有限元方法和相应的数学理论，对水泥稳定碎石基层沥青路面不同类型裂缝的形成和扩展规律进行了系统分析。通过沥青混合料蠕变试验和数学方法确定了多种沥青混合料的粘弹性参数，为下一步粘弹性有限元分析提供了准确的参数支持：通过水泥稳定碎石混合料强度、收缩等性能试验得到了基层材料参数，并基于试验结果建立了相应的收缩性能预估方程。根据试验得到的面层和基层参数，结合单元类型、边界条件、网格密度等因素对不同的有限元模型做了比选，确定了相应的车辆荷载和温度荷载分析模型；根据水泥稳定碎石基层沥青路面结构的热工参数，对无裂缝、含基层和表面裂缝结构的温度场进行了数值模拟，根据计算结果建立了路表温度和温差的预估模型，并对含裂缝结构的温度场进行了修正。　　采用弹性断裂力学方法，建立不含裂缝、含基层裂缝及含表面裂缝的水泥稳定碎石基层沥青路面结构有限元计算模型，运用静力学分析方法，分别计算了在车辆和温度荷载作用下不同结构的应力／应变响应、以及裂缝尖端的断裂参数变化规律。通过对各结构层选取不同的应力和断裂参数进行分析，了解水泥稳定碎石基层沥青路面结构的开裂和扩展机理，并根据计算结果建立了不同结构的温度应力、荷载应力、裂缝扩展寿命预估模型。同时，采用粘弹性动力有限元方法，对不同面层材料的影响做了分析。在对水泥稳定碎石基层沥青路面进行裂缝现场调查的基础上，分析不同结构的裂缝发展情况，并探求现场实际开裂状态与结构应力间的关系，为抗裂设计指标的选择提供参考。　　最后，分析水泥稳定碎石基层沥青路面结构在温度和车辆荷载作用下的应力特征，评价了现行沥青路面设计指标的不足之处，以水泥稳定碎石基层沥青路面力学特性为依据，以裂缝病害的控制为目标，提出了减少和延缓基层和面层裂缝病害的水泥稳定碎石基层沥青路面结构抗裂设计方法，为完善半刚性基层沥青路面结构设计提供参考。　　

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