复合式长寿命路面结构研究

论文摘要

目前,我国高速公路的设计年限一般为20～30年,但实际使用寿命只有8～10年,甚至,有的高速公路只营运2～3年就开始出现较严重的病害。对于高速公路、城市间的重要道路,公路的维修必然造成用户的出行不便,延长用户的出行时间,增加燃油消耗,造成大量的维修费用、用户费用的浪费等问题,同时对社会也带来巨大的经济损失,从寿命周期费用分析的角度看,这无疑是不经济的。如何延长公路的使用年限,这已成为目前我国公路建设者最为关心的问题之一。本文针对高速公路设计寿命与实际使用寿命较短等问题,对目前国内外普遍关注的长寿命路面,从长寿命定义、标准到长寿命路面结构型式、水泥混凝土板块划分、结构层应力等方面进行了研究分析。本文主要进行了以下几方面的研究工作:(1)通过对相关国家长寿命路面的不同定义研究,对长寿命路面定义进行了分析,并提出复合式长寿命路面设计要求与设计标准;提出依托工程的长寿命路面结构型式。(2)对车道宽度进行研究,得出高速公路不同限速下车辆的安全行车速度;对水泥混凝土板块合理尺寸进行了研究分析,为了使车辆能够骑缝行驶,使混凝土板长期处在较低的应力水平下,提出3m×4m平面尺寸的板块划分方式,并通过荷载应力计算与温度应力计算对这种小板块划分方式的优越性进行了分析;并且结合车道宽度的研究,提出28m路基宽度上修建六车道的设计方案,即“四改六”车道方案。(3)对依托工程当地的温度情况进行调查,绘出典型不同季节的路面温度图。通过温度场、温度梯度有关理论计算复合式长寿命路面的最大温度梯度,为长寿命路面结构设计与分析提供计算依据。(4)通过有限元方法和规范方法,对复合式长寿命路面水泥混凝土层板底弯拉应力的影响因素进行了分析,得出了混凝土板厚、沥青面层厚度等因素对层底弯拉应力的影响,为路面设计提供理论支撑。(5)通过有限元分析,对层间剪应力分布情况进行了研究,分析确定了层间剪应力最大值出现位置。研究了沥青面层厚度对层间剪应力的影响效果,确定适宜复合式长寿命路面结构型式中沥青表面层的厚度。(6)根据有关应力计算分析,对复合式长寿命路面各柔性层的材料设计进行了实验研究,提出适宜的柔性层配合比设计,并对混合料设计提出新的标准。(7)分析敏感性因素对长寿命路面极限寿命预估的影响,通过有关寿命预估方法对复合式长寿命路面结构极限寿命进行预估;同时对复合式长寿命路面与功能相仿的AC、PCC路面进行了经济对比分析,比较其优劣。(8)为确保复合式长寿命路面水泥混凝土面层与沥青面层紧密结合,通过试验分析,提出了水泥混凝土表面裸化技术,并提出裸化时间与裸化深度等参数要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外长寿命路面研究综述
• 1.2.1 国外研究综述
• 1.2.2 国内研究概述
• 1.2.3 分析理论概述
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 复合式长寿命路面设计标准研究
• 2.1 长寿命路面定义
• 2.2 长寿命路面设计要求
• 2.3 复合式长寿命路面设计标准
• 2.4 许尉高速复合式长寿命路面结构设计研究
• 2.4.1 许尉高速长寿命路面结构模型
• 2.4.2 许尉高速公路路基设计研究
• 2.4.3 许尉高速公路基层设计研究
• 2.4.4 许尉高速公路面层设计研究
• 2.4.5 防水设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 水泥混凝土板块尺寸合理划分研究
• 3.1 车道宽度研究
• 3.1.1 国外行车道宽度概况
• 3.1.2 车道宽度计算
• 3.1.3 许尉高速车道划分
• 3.1.4 轮迹横向分布系数
• 3.2 水泥混凝土板块划分研究
• 3.2.1 国内外板块划分简介
• 3.2.2 小板块荷载应力分析
• 3.2.3 板块尺寸对温度应力的影响
• 3.3 横缝设置研究
• 3.3.1 横缝间距对缝隙宽度的影响
• 3.3.2 接缝的荷载传递
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合式长寿命路面温度场分布与温度应力分析
• 4.1 河南省温度调查
• 4.2 铺设沥青层的PCC板温度梯度分析
• 4.2.1 温度场计算方法
• 4.2.2 PCC 板温度梯度分析
• 4.2.3 PCC+AC 路面温度梯度分析
• 4.2.4 许尉长寿命路面温度场及温度梯度计算与分析
• 4.3 铺设沥青层的温度应力分析
• 4.3.1 胀缩应力分析
• 4.3.2 翘曲应力
• 4.4 本章小结
• 第五章 复合式长寿命路面结构荷载应力分析
• 5.1 弹性半空间地基上复合路面的受力性能
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 多层路面光滑接触情况
• 5.1.3 多层路面连续接触情况
• 5.2 双层弹性地基上复合路面的受力性能
• 5.2.1 多层路面光滑接触情况
• 5.2.2 多层路面连续接触情况
• 5.3 多层弹性地基上复合路面的计算
• 5.4 荷载临界作用位置
• 5.5 有限元计算 PCC 板底弯拉应力
• 5.5.1 计算模式与参数
• 5.5.2 PCC 板底最大弯拉应力有限元计算分析
• 5.6 规范方法计算水泥混凝土板底应力
• 5.6.1 不设 AC 层的 PCC 板底最大弯拉应力的计算分析
• 5.6.2 设 AC 层的PCC板底最大弯拉应力计算分析
• 5.6.3 有限元方法与规范方法结果比较
• 5.7 路面层间应力分析
• 5.7.1 有限元计算模型与方法
• 5.7.2 ha 对层间剪应力的影响
• 5.7.3 剪应力变化规律
• 5.7.4 应力吸收层对剪应力的影响
• 5.8 水泥混凝土表面裸化技术
• 5.9 本章小结
• 第六章 复合式长寿命路面柔性层设计研究
• 6.1 沥青面层的研究分析
• 6.1.1 黑色面层的功能与性能要求
• 6.1.2 沥青面层的受力分析及厚度确定
• 6.1.3 沥青面层的材料组成与技术要求
• 6.1.4 AC-13C 型沥青混凝土目标配合比设计
• 6.2 应力吸收层的研究分析
• 6.2.1 应力吸收层的功能与性能要求
• 6.2.2 应力吸收层的受力分析
• 6.2.3 应力吸收层的技术要求与材料组成
• 6.2.4 应力吸收层目标配合比设计
• 6.3 防水联结层的研究分析
• 6.3.1 防水联接层的功能
• 6.3.2 防水联结层的受力分析
• 6.3.3 防水联结层的技术要求与材料组成
• 6.4 本章小结
• 第七章 许尉长寿命路面寿命预估与经济分析
• 7.1 沥青面层寿命预估
• 7.1.1 断裂力学理论
• 7.1.2 Paris 公式
• 7.1.3 A、n、ΔK 的取值
• 7.1.4 柔性面层疲劳裂缝扩展寿命
• 7.2 水泥混凝土层寿命预估
• 7.2.1 寿命预估方法
• 7.2.2 极限寿命预估的影响因素分析
• 7.3 重载作用下路面使用寿命预估
• 7.4 许尉长寿命路面经济分析
• 7.4.1 路面结构经济分析概述
• 7.4.2 依托工程基本情况
• 7.4.3 长寿命与四车道AC、PCC 费用对比分析（分析期30 年）
• 7.4.4 长寿命与六车道AC、PCC 路面费用对比分析（分析期30 年）
• 7.4.5 长寿命与AC、PCC 路面费用对比分析（分析期50 年）
• 7.5 本章小结
• 第八章 主要结论与有待研究的问题
• 8.1 主要结论
• 8.2 主要创新点
• 8.3 有待研究的问题
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢