沥青混合料强度理论与应用研究

论文摘要

沥青路面是我国高等级公路的主要路面型式，沥青路面强度的高低直接影响公路的运营能力和安全舒适性，因此，如何保证或提高沥青混合料的强度至关重要。实践中，沥青路面结构中沥青混合料的真实受力状况为三向应力状态，而Mohr-Coulomb强度理论及其相应的闭式三轴试验都未考虑中间主应力对强度的影响，其表现的应力状态与路面结构中沥青混合料的真实受力状态不符。以往沥青混合料研究对中间主应力分析较少，尤其未提及对沥青混合料强度的贡献。因此，有必要研究中间主应力对沥青混合料强度的影响。在国内外研究成果基础上，对沥青混合料的中间主应力效应进行试验研究。研究表明，沥青混合料强度随中间主应力的增大而增大。在考虑各因素交互作用的条件下，正温、零和负温的正交试验显著性分析得出：中间主应力对沥青混合料的强度有显著影响。因此，对沥青混合料强度研究而言，沥青混合料的中间主应力效应不可忽视。双剪强度理论能考虑中间主应力对材料强度的影响，因此，可选择双剪强度理论分析沥青混合料的强度。针对沥青混合料中间主应力效应试验研究的特点，自行设计制作了平面应变试验装置，确定了沥青混合料试件的形状和尺寸、试件的成型方法、试验温度及加载速率。对不同试验条件下的沥青混合料破坏试件进行对比分析。通过回归分析得到中间主应力方向有侧限，加载速率2mm/min时，温度与强度的关系；通过回归分析得到中间主应力方向有侧限时，-10℃变化到25℃时一组温度下的加载速率与强度的关系。对不同温度、不同加载速率下应力应变曲线进行回归分析，得到中间主应力方向有侧限，加载速率2mm/min时，不同温度下应力应变曲线的表达式。确定了应力应变曲线的两种典型型式。提出了确定沥青混合料弹性极限的具体方法。双剪强度理论的屈服准则可以对应于刚性基层沥青路面面层的剪切破坏模式，可将其应用于沥青路面面层厚度计算中。基于数值计算，建立刚性基层缩缝处沥青路面结构的三维有限元模型，分析刚性基层缩缝处沥青面层的中间主应力以及与之有关的正应力σ12、σ23与主剪应力τ12、τ23，并对不同因素下的三个主剪应力τ12、τ23和τ13以及与其对应地正应力σ12、σ23和σ13进行了排序，为正确使用双剪强度理论公式奠定基础。荷载应力分析表明：因素变化不影响剪应力与正应力的排序；温度应力分析表明：剪应力与正应力的排序具有区间性。依据双剪强度理论，以试验研究结论、力学分析结果为基础，综合考虑以往的研究成果，初步提出基于双剪强度理论的沥青面层厚度分析方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 强度理论
• 1.2.2 沥青混合料强度特性
• 1.2.3 沥青混合料强度测试方法
• 1.2.4 沥青路面力学分析
• 1.2.5 沥青面层厚度设计方法
• 1.2.6 沥青混合料强度研究的几点不足
• 1.3 主要研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 研究技术路线
• 第二章 单剪强度理论与双剪强度理论
• 2.1 理论提出的时间及发展
• 2.2 力学模型
• 2.3 强度理论公式
• 2.4 强度理论极限面与屈服面
• 2.5 屈服准则
• 2.6 强度理论应用
• 2.7 小结
• 第三章 沥青混合料中间主应力效应研究
• 3.1 中间主应力效应研究的意义
• 3.2 沥青混合料中间主应力效应试验研究
• 3.2.1 原材料与沥青混合料技术指标
• 3.2.2 试验设备与平面应变试验装置
• 3.2.3 沥青混合料试验试件
• 3.2.4 试验条件
• 3.2.5 沥青混合料的破坏特点
• 3.3 显著性分析
• 3.3.1 正温时显著性分析
• 3.3.2 负温时显著性分析
• 3.4 强度与温度的关系
• 3.4.1 中间主应力方向有侧限时温度与强度的回归关系
• 3.4.2 中间主应力方向无侧限时温度与强度的回归关系
• 3.5 强度与加载速率与的关系
• 3.5.1 中间主应力方向有侧限时加载速率与强度的回归关系
• 3.5.2 中间主应力方向无侧限时加载速率与强度的回归关系
• 3.6 中间主应力变化对沥青混合料强度的影响
• 3.7 小结
• 第四章 沥青混合料应力应变曲线研究
• 4.1 中间主应力方向有、无侧限时应力应变曲线对比分析
• 4.1.1 正温时应力应变曲线分析
• 4.1.2 负温时应力应变曲线分析
• 4.1.3 正温与负温的应力应变曲线比较
• 4.1.4 应力应变曲线回归分析
• 4.2 应力应变曲线弹性极限研究
• 4.2.1 应力应变曲线典型型式
• 4.2.2 弹性极限研究
• 4.3 沥青混合料的强度理论
• 4.4 小结
• 第五章 刚性基层沥青路面荷载应力分析
• 5.1 有限元模型与计算参数
• 5.1.1 有限元模型
• 5.1.2 计算基本参数
• 5.2 不同因素对荷载应力影响分析
• 5.2.1 面层厚度
• 5.2.2 面层模量
• 5.2.3 基层厚度
• 5.2.4 基层模量
• 5.2.5 荷载值变化
• 5.3 小结
• 第六章 刚性基层沥青路面温度应力分析
• 6.1 基本理论与温度场
• 6.1.1 基本理论
• 6.1.2 温度场
• 6.2 有限元模型与计算参数
• 6.2.1 有限元模型
• 6.2.2 计算参数
• 6.3 不同因素对温度应力影响分析
• 6.3.1 面层厚度
• 6.3.2 面层模量
• 6.3.3 基层厚度
• 6.3.4 基层模量
• 6.3.5 温度变化
• 6.4 小结
• 第七章 刚性基层沥青路面面层厚度计算方法探讨
• 7.1 双剪强度理论的应用
• 7.2 沥青面层应力计算
• 7.3 沥青混合料抗压强度确定
• 7.4 面层厚度计算方法
• 7.5 面层厚度计算示例
• 7.6 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 研究成果
• 8.2 主要创新点
• 8.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢