全柔式长寿命沥青路面（FF-LLAP）结构及其设计方法研究

论文摘要

在全世界范围内,交通量随经济的发展增长很快,道路荷载均在不断的增加,这对沥青路面提出了新的挑战,使得沥青路面出现破坏的时间大大提前,当前的沥青路面结构应如何改变才能适应新的公路交通形势是当前各国公路建设中一个急需解决的问题。自20世纪以来,长寿命路面成为世界各国沥青路面最为热门的研究内容,在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚甚至南非都在广泛研究。本文结合我国实际情况,主要运用线弹性多层体系理论,研究目前国际上使用较为广泛的柔性基层与底基层长寿命沥青路面（Long Life Asphalt Pavements,后简称LLAP）,本文称为全柔式长寿命沥青路面（Full Flexible Long Life AsphaltPavements,后简称FF-LLAP）的结构及其设计方法。本文第一部分,在充分论证了LLAP两个理论前提的基础上,主要针对FF-LLAP结构,提出了一套合理的、全面的设计指标与标准。在对国外LLAP结构设计指标进行分析,结合我国高等级公路沥青路面的设计指标,考虑国内外高等级公路沥青路面的破损情况的基础上,提出FF-LLAP结构的三个主要力学控制指标:沥青混凝土疲劳极限、路表极限弯沉和沥青层最大剪应力,并给出三个指标的确定方法。本文第二部分,主要从理论上研究FF-LLAP结构的力学响应规律,在探讨三层结构模型的基础上,提出FF-LLAP典型结构模型。在探讨其沥青层力学响应沿深度分布规律基础上,提出沥青层的层位划分及其各层力学性能要求。研究结果将FF-LLAP三层结构的沥青层应化分为三层,即磨耗层、联结层、下承层,并提出各层的适宜厚度取值范围及其相应的力学性能要求。本文第三部分,主要从理论上探讨多层FF-LLAP结构组合设计方法,基于各结构层参数与三个设计指标的关系,提出FF-LLAP结构设计指标的力学响应模型和厚度设计方法。文中给出了FF-LLAP结构厚度设计方法的流程图,并根据各设计指标的力学模型,给出了FF-LLAP结构层厚度确定的简便方法,通过查阅相关的图形确定层厚。本文第四部分,主要研究多层FF-LLAP结构材料组合设计方法,在结构层位功能基础上,借助明确的控制指标将结构设计、路用性能和材料设计三者有机统一。首先根据沥青路面两大类层位功能:结构性使用性能、功能性使用性能,进行FF-LLAP结构层位功能分析,提出FF-LLAP各结构层的层位功能要求及其满足层位功能要求的相关控制指标,通过各控制指标将结构与材料设计统一起来。在满足层位功能基础上,研究发现在材料组合设计中主要是控制原材料选择与混合料设计两大方面,对于不同的功能要求,所控制的指标及其标准有所不同。本文第五部分,主要针对FF-LLAP结构特点,提出一种基于可靠度分析理论的结构设计及优化方法。给出FF-LLAP结构可靠度概率模型、抗力概率模型、效应概率设计参数等,采用蒙特卡罗法进行FF-LLAP结构可靠度计算,在国内外学者对沥青路面可靠度研究基础上,提出FF-LLAP结构目标可靠度指标,采用逐步逼近法进行可靠度设计。综合考虑路面在整个设计期内的结构可靠性、使用性能和经济性能,提出FF-LLAP结构可靠度优化设计模型式和约束函数,采用网格法进行可靠度优化设计。本文第六部分,根据所提出的FF-LLAP结构设计方法,对山东滨州2005年铺筑的三个长寿命沥青路面试验路段结构的力学指标、动态力学响应、材料选用及组成设计、结构可靠性等进行分析,验证文中提出的结构设计方法的可操作性、可信度等。通过理论分析与实例分析表明,文中所提出的FF-LLAP结构及其设计方法是合理的,运用可靠度设计方法进行评价和优化是行之有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外LLAP研究现状
• 1.2.2 LLAP发展的可行性分析
• 1.2.3 国内相关研究现状
• 1.2.4 国内外研究现状分析
• 1.3 本文研究内容和方法
• 第二章 FF-LLAP结构设计指标与标准
• 2.1 引言
• 2.2 国内外LLAP结构设计指标分析
• 2.3 FF-LLAP结构设计指标确定
• 2.4 FF-LLAP结构设计指标确定方法
• 2.4.1 FF-LLAP结构极限弯拉应变存在性及其确定方法
• 2.4.1.1 低应变室内疲劳试验研究
• 2.4.1.2 利用LTPP数据进行疲劳极限及其存活性分析
• 2.4.1.3 小结
• 2.4.2 FF-LLAP极限弯沉确定方法
• 2.4.3 FF-LLAP结构层剪应力验算必要性及其确定方法
• 2.4.4 FF-LLAP设计轴载确定方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 FF-LLAP结构应力分析及其层位划分
• 3.1 引言
• 3.2 FF-LLAP三层结构体系力学响应影响因素分析
• 3.2.1 计算模型与参数
• 3.2.2 FF-LLAP三层体系应力响应影响因素正交设计
• 3.2.3 各影响因素单体数据分析
• 3.2.4 各影响因素总体数据分析
• 3.2.5 小结
• 3.3 FF-LLAP三层结构体系厚度确定
• 3.3.1 参数选取与数据计算
• 3.3.2 数据分析
• 3.3.3 小结
• 3.4 FF-LLAP三层结构沥青层厚度划分
• 3.4.1 FF-LLAP三层结构及参数选取
• 3.4.2 力学响应数据计算与分析
• 3.4.3 FF-LLAP三层结构沥青层厚度划分
• 3.4.4 小结
• 3.5 FF-LLAP典型结构
• 3.6 本章小结
• 第四章 FF-LLAP结构组合设计
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型与参数
• 4.3 数据正交设计计算与分析
• 4.3.1 正交设计与数据计算
• 4.3.2 数据分析
• 4.3.2.1 总沥青层厚与控制指标的关系
• 4.3.2.2 联结层厚与控制指标的关系
• 4.3.2.3 基层厚与控制指标的关系
• 4.3.2.4 底基层厚与控制指标的关系
• 4.3.2.5 路基模量与路表弯沉的关系
• 4.3.3 小结
• 4.4 FF-LLAP力学响应模型建立
• 4.5 FF-LLAP结构厚度确定方法
• 4.5.1 FF-LLAP结构厚度确定方法
• 4.5.2 FF-LLAP结构层厚度设计查图法
• 4.6 本章小结
• 第五章 FF-LLAP结构材料组合设计
• 5.1 引言
• 5.2 FF-LLAP各结构层层位功能分析
• 5.3 基于层位功能的路面材料组合设计
• 5.3.1 层位功能与原材料的选择
• 5.3.1.1 沥青
• 5.3.1.2 集料
• 5.3.2 层位功能与混合料组成设计
• 5.3.2.1 集料级配确定方法
• 5.3.2.2 沥青用量确定方法
• 5.3.2.3 FF-LLAP结构沥青混凝土类型选择
• 5.4 本章小结
• 第六章 FF-LLAP结构可靠度设计方法及其优化
• 6.1 引言
• 6.2 FF-LLAP结构可靠度设计及其优化设计理念
• 6.3 FF-LLAP结构可靠度设计方法
• 6.3.1 沥青路面可靠度定义
• 6.3.2 沥青路面可靠度分析理论简介
• 6.3.2.1 结构的极限状态
• 6.3.2.2 可靠度与失效概率
• 6.3.2.3 可靠度指标β及计算公式
• 6.3.2.4 可靠度计算方法
• 6.3.3 FF-LLAP结构可靠度概率模型
• 6.3.4 FF-LLAP结构抗力概率模型
• 6.3.5 FF-LLAP结构效应概率统计参数
• 6.3.6 FF-LLAP结构可靠度计算
• 6.3.7 FF-LLAP结构目标可靠度指标确定
• 6.3.8 FF-LLAP结构可靠度设计方法
• 6.3.9 实例分析
• 6.4 FF-LLAP结构可靠度优化设计方法
• 6.4.1 FF-LLAP结构可靠度优化设计模型
• 6.4.2 FF-LLAP结构可靠度优化设计方法
• 6.4.3 实例分析
• 6.5 FF-LLAP结构设计流程图
• 6.6 本章小结
• 第七章 FF-LLAP结构设计方法验证性分析
• 7.1 引言
• 7.2 山东滨州LLAP试验路段概况
• 7.3 结构组合分析
• 7.3.1 力学指标分析
• 7.3.2 动态力学响应分析
• 7.4 材料组合分析
• 7.4.1 原材料选择
• 7.4.2 混合料组成
• 7.5 可靠性分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 总结
• 8.2 本文的创新点
• 8.3 今后研究展望
• 参考文献
• 附录一:FF-LLAP多层结构力学计算结果
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果
• 一、参与的科研项目
• 二、发表和录用的学术论文