（道路与铁道工程专业论文）重载沥青路面结构分析与性能评价.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 青路面是我国高等级公路路面结构的主要形式之一。随着重载交通 与形成，沥青路面早期破坏现象愈来愈普遍，重载己成为影响路面 服务性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。由于交通、环境、轴组、 路基路面结构、施工质量及维修政策因时因地而异，造成路面损坏的原因 也各不相同。为此，本论文从具体路面状况和理论分析两方面入手，对重 载沥青路面进行结构分析与性能评价y 论文首先就国道1 0 8 线广北段二期工程的路面状况调查结果，对各种 路面病害的原因进行了分析，特别是附加结构响应对路面早期破坏的影 响。其次，以商业软件a n s y s 为计算工具，应用弹性和弹塑性理论，对重 载沥青路面进行数值仿真分析，研究了路砸结构在双轮车辆荷载作用下的 力学响应，分析讨论了超重荷载、路面类型与结构组合对沥青路面的应力 应变、承载能力及疲劳寿命等方面的影响。同时探讨了不同超限量对路面 关键响应的变化规律。最后，结合具体实例，将理论分析结果与路面的实 际特征和状态作了对照分析。 论文研究结果表明：施工质量和外界环境是导致路面损坏的外因；重 载交通使路面关键响应增大，使路面的损坏过程加快、损坏程度加深，结 构组合影响路面各结构层性能的发挥，制约着路面的使用性能和使用寿 命，这两者都是路面损坏的内因。论文的研究成果对路面结构设计、公路 管理及养护维修具有指导意义，为今后重载交通沥青路面设计提供了一些 可供参考的有价值的思路。 关键词：沥青路面，重瓮盎通，早期破坏，结 a b s tr a c t a s p h a l tp a v e m e n ti so n eo ft h ep r i m a r ys t r u c t u r e sf o rm a i nr o a d si nc h i n a a l o n gw i t h t h e a p p e a r i n g a n d f o r m i n g o ft h e h e a v y 1 0 a d e dt r a f f i c i nr e c e n t y e a r s ，t h ep r e m a t u r ef a i l u r e o fa s p h a l t p a v e m e n t si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e w i d e s p r e a d c o n s e q u e n t l y ，o v e rl o a d i n gh a sb e c o m eo n eo f t h ek e yf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ei n s e r v i v ep e r f o r m a n c eo f p a v e m e n t sa n ds h o r t e nt h en a t u r a ll i f eo f p a v e m e n t s d u e t ot h ev a r i a t i o ni n t r a f f i c ，e n v i r o n m e n t ，a x l ec o n f i g u r a t i o n ， s u b g r a d ec o n d i t i o n ，p a v e m e n ts t r u c t u r e ，c o n s t r u c t i o nq u a l i t y ，a n dm a i n t e n a n c e p o l i c yf r o ma g e n c y t oa g e n c y ，f r o mp l a c et op l a c e ，t h ed e t e r i o r a t i o no f p a v e m e n t m a yb e c a u s e db y d i f 您e r e n t f a c t o r s t h e r e f o r e ，t h e s t r u c t u r a l a n a l y s i s a n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fh e a v y l o a d e da s p h a l tp a v e m e n th a v eb e e nc o n d u c t e d o nt w oa s p e c t sa b o u ts p e c i f i cp a v e m e n tc o n d i t i o n sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i s t h e s i s 。 i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y ，b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t so f p a v e m e n ts t a t u so f h i g h w a yp a v e m e n ts t r u c t u r e si nt h e2 “4p h a s eo fg u a n g b e is e c t i o no fn a t i o n a l h i g h w a y1 0 8 ( b e i j i n gt ok u n m i n g ) ，t h ec a u s e so fp a v e m e n td e t e r i o r a t i o n sw e r e a n a l y s e d ，e s p e c i a l l y ，t h e f a c t o ro fa d d i t i o n a ls t r u c t u r a l r e s p o n s e si n f l u e n c i n g p a v e m e n td i s t r e s s ，e s p e c i a l l yp r e m a t u r ef a i l u r e ，w a sa n a l y s e d t h em e a s u r e so f p r e v e n t i o na n dc u r ef o rp a v e m e n tf a i l u r ew e r ep u tf o r w a r d s e c o n d l y ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u th e a v y l o a d e da s p h a l tp a v e m e n tw a sp e r f o r m e du s i n g e l a s t i ca n d e l a s t i c - p l a s t i c t h e o r i e sw i t hc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e - a n s y s a n dt h em e c h a n i c a lr e s p o n s e so f p a v e m e n ti nt w oc y c l i ct r a f f i c l o a d sw e r es t u d i e d a l s o ，t h ei n f l u e n c e so nt h ea s p h a l tp a v e m e n t ，s u c ha st h es t r e s s ， t h es t r a i n ，t h ec a r r y i n g c a p a c i t ya n dt h ef a t i g u e n a t i o n a ll i f e ，b yt h ef a c t o r sa b o u t o v e r l o a d i n g s ，p a v e m e n ts t y l e sa n ds t r u c t u r a ll a y e rc o m b i n a t i o n s ，w e r ea n a l y s e d a n dd i s c u s s e d a tt h es a l t l et i m e ，t h ec h a n g e dc h a r a c t e r s o fk e yr e s p o n s e so f p a v e m e n tw h i c h c o n d u c t e db yt h el o a d s ，w h i c hp r e p o n d e r a t e do v e rt h ea l l o w a b l e w e i g h t ，w e r ed i s c u s s e dt o o f i n a l l y ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s w e r ec o m p a r e d t ot h ea c t u a lc h a r a c t e r sa n ds t a t e so f p a v e m e n tb ys p e c i f i ce x a m p l e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第lii 页 t h er e s u l t so ft h et h e s i ss h o wt h a tc o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n de n v i r o n m e n t c o n d i t i o nb et h ee x t e r i o rf a c t o r si n t h e d e v e l o p m e n t o f p a v e m e n t d e t e r i o r a t i o n s h e a v y - l o a d e d t r a f f i cc a nb e b r o u g h t o n i n c r e a s i n g c r i t i c a l r e s p o n s e so fp a v e m e n t ，a c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so fp a v e m e n td e t e r i o r a t i o n s a n d m a k i n g t h ed e t e r i o r a t i o n d e g r e ed e e p p e r a n d t h es t r u c t u r a l l a y e r c o m b i n a t i o nc a ni n f l u e n c ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，c a nr e s t r i c tt h ei n s e r v i v e p e r f o r m a n c eo fp a v e m e n ta n d c a nd e t e r m i n ei t sn a t u r a ll i f et o o b o t ht h ea b o v e t w o f a c t o r s ( n a m e l y ，h e a v y l o a d e d t r a f f i ca n ds t r u c t u r a l l a y e rc o m b i n a t i o n ) a r et h ei n t e r i o rf a c t o r si nt h ef o r m a t i o no fp a v e m e n td i l a p i d a t i o n s m a j o r c o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h i ss t u d yc a nb eb e n e f i c i a lt ot h es t r u c t u r a ld e s i g n ， s u p e r v i s i o n ，m a i n t e n a n c e ，a n d r e h a b i l i t a t i o no fp a v e m e n t sf o rr o a d s a n d o f f e rs o m eu s e f u l t h o u g h t w a y s ，w h i c h a t er e f e r e n c e da n dv a l u a b l ef o r h e a v y l o a d e da s p h a l tp a v e m e n td e s i g n i nf u t u r e k e yw o r d s ：a s p h a rp a v e m e n t ，h e a v y - l o a d e dt r a f f i c ，p r e m a t u r e f a i l u r e ， s t r u c t u r a ll a y e rc o m b i n a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s 堕重窒望奎兰堡主塑室竺堂堡笙室篁! ! 夏 主要符号表 尸车轮轴载 h 路面结构层厚度 一地基反映模量 f 材料的弹性模量 d 或一材料的泊松比 局一标准轴载 e f 一破坏系数 点、仍、幺一三维空间坐标系统中结点的局部坐标 i i ，v p w 一结点的位移函数 i i 一形函数矩阵 f 一l f ：一j 对x 、y 及z 的偏导数 k 一单元内任一点的应变列阵 万 一单元的结点位移列阵 i 曰l 一单元应变矩阵 盯 一单元内任一点的应力列阵 p i 一与单元材料有关的弹性矩阵 刚一单元刚度矩阵 c 一材料的粘聚力 盯一作用在剪切面上的有效法向应力 妒一材料的内摩擦角 庐，露秒一材料的膨胀角 盯。一材料平均应力 s 一偏差应力 i 肘l 一彪括船屈服准则中的刚度矩阵 u y 一面层表面竖向位移 l 。一路表弯沉值 s x 一水平应力( 拉应力或压应力) s y 一竖向应力( 拉应力或压应力) s z 一径向应力( 拉应力或压应力) s x z x z 平面内的剪应力 匿堕交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 改革开放2 0 多年以来，我国公路建设取得了飞速的发展，目前全国 公路通车总里程达1 6 9 8 万公里。据交通部第二次公路普查资料，按公路 技术等级分组，各等级公路里程为：高速公路1 9 4 3 7 公里、一级公路2 5 2 1 4 公里、二级公路1 8 2 1 0 2 公里、三级公路3 0 8 6 2 6 公里、四级公路8 0 0 6 6 5 公里，等外级公路3 6 1 9 6 8 公里。全国等级公路里程1 3 3 6 万公里，占公 路总里程的7 8 7 。高速公路取得新的突破，总里程跃居世界第二位。目 前全国公路交通状况得到明显改善，有9 9 的乡和8 8 的行政村通公路。 继京沈、京沪高速公路建成之后，西南公路出海通道又顺利贯通，“五纵 七横”孱道主干线为重点的国家公路主骨架正处于紧锣密鼓的建设中“1 。 公路建设有力地带动了沿线经济的发展，同时也使公路运输结构发生 了深刻的变化。路政资料表明，汽车运输不仅是交通量增长快，而且轴载 质量也显著增大，重载车辆，特别是大幅度超限运输车辆日益显著增加， 后轴从额定的l o o k n 增加到1 8 0k n 以上，轮胎充气压力从额定的0 7 m p a 增加到0 9 m p a 以上。一些进口车型如斯尔太、太脱拉等设计轴载达到单 轴1 3 t ，双联轴2 6 t ，且出现三联轴型式，轮胎最高设计内压达到0 8 5 m p a 。 据调查，河北省干线公路运输车辆中，超限车辆占满载车的8 0 左右，超 限吨位一般为额定轴重的6 0 1 0 0 ”1 。河南省国省干线公路运输货车( 空 车除外) 超限车辆占8 0 ，特别是运煤车及矿业运输车超限吨位一般为额 定轴重的5 0 2 0 0 o3 。山西省超载、超限现象很普遍，如解放一1 4 2 和东 风一1 4 0 的主车额定装载为5 t ，丽实际装载离达2 0 t 左右，装载率为4 0 0 ： 又如斯尔太的主车额定装载为1 5 t ，而实际装载高达3 8 t 左右，装载率为 2 6 0 “1 。广西某二级踌连续抽样调查发现，中型载重货车和全挂车全部超 限，超限l o t 以上的占超限车辆的7 5 “1 。天津津围公路车辆后轴重在1 0 t 以上的载重汽车占3 1 ，超限2 5 4 0 ，最大轴重达2 5 t ”1 。江苏省车辆 超限现象也很严重，据统计，干线公路上超限车辆占7 0 8 0 ”1 。福建的 厦漳高速公路核定载重5 t 的汽车一般都载重l o t 至1 5 t ，有的甚至达到 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 s t ，夜间超载比率更高，上行线占重载车8 0 ，下行线占重载车1 0 聃3 。 北京至昆明的1 0 8 国道四i i 境内广元北段公路运输车辆的调查表明，超限 车辆占满载车辆的8 0 左右，超限率一般为6 0 2 0 0 。调查中还发现载 重2 5 k n 以上货运汽车8 0 9 0 都超限，尤其以运建材，长途运煤，运钢 材等重物的汽车超限最为严重。1 。交通状况的这些显著变化给沥青路面带 来了严重考验，致使路面产生不同程度的早期破坏。比如沥青路面的车辙、 坑槽、龟裂、翻浆、沉陷等病害；水泥砼路面板裂缝、错台、断裂等病害， 对公路的使用寿命、服务水平、行车安全、运行效益、环境保护和公路管 理等方面均产生很大影响。比如郑州至新郑机场段高速公路由于车辆重 载、超限现象严重，致使路面破损，河南省为此投资1 亿元进行全面整修。 津围公路也投资5 6 亿元进行了改造。另外目前我国绝大多数收费系统是 以货车额定载质量和客车座位数来进行车辆分类的。收费标准是根据货车 额定载质量和客车座位数来制定，即按车型收费。这种收费标准本身就有 不合理的成分，致使许多客、货车车主或运输公司抓住这一不合理的成分 进行超限运输，从而加速了路面的早期损坏，缩短了路面的使用寿命“”。 由于高速公路的运输实行收费制，于是许多车主为了获得更多的利润而选 择走老路，由于以前的公路是按当时的标准荷载来设计的，而现今的车辆 荷载大大增加，再加之车辆的超重，这样对这些“老路”来说更是雪上加 霜。因此，有必要系统地对重载交通阔题进行研究，以加深对路面结构各 种力学响应指标的理解，并结合实际对路面损坏的原因作更为深入全断的 分析。 1 2 研究现状 1 2 1 路面结构力学分析的解析法 路面力学计算是路两设计豹理论基础，它综合应用弹性力学、材料力 学和粕弹性力学等知识鬻算雅霭多屡体系肉的应力、应变相位移，并验算 路面的结构强度。由于路萄体系在构造上比较复杂，再加上材料的非弹性 性质，在解算它的内力时会遇到许多数学和力学上的困难。而目前被公认 可行的方法是：采用某些假设，或忽略某些因素，使路面体系内的力学模 型乎导到简化，从而获得理论解答，再通过各种实验手段对理论结果加以修 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 正，取得理论与实践的统一。随着快速大型电子计算机的应用以及现代数 学和力学的发展，现在人们可以建立愈来愈完善的力学模型，从而也可得 到更接近于实际的理论解答。因此，现代路面设计理论愈来愈从半经验半 理论性过渡到更具有理论性，但最终仍然免不了作必要的实验修正“”1 。 1 2 1 1 早期的路面结构力学分析方法”3 早在i 9 世纪末，可以适用于 路面设计的某些力学理论已经得到发展，其中较为突出的有i 8 8 4 年赫兹 ( h h e r t z ) 提出的液体支承板，1 8 8 5 年布辛尼斯克( j b o u s s i n e s q ) 提 出的半空间弹性课题，它们在本世纪5 0 年代的路面设计中都得到了广泛 的应用。 古典应力分析以简单的静力平衡原理为基础。它假定汽车轮载是集中 荷载或圆形均布荷载，以某一分布角度通过路面传递到路基，如荷载的单 位压力满足路基顶面的容许承载力的要求，即达到静态平衡，也依此进行 路面结构设计。1 9 0 i 年，美国麻省道路委员会第八次年会上发表了世界上 第一个路面设计公式。它假定汽车是一个集中荷载尸荷载以4 5 。角通过 碎石基层分布于边长为碎石层厚2 倍的正方形面积的土基上。1 9 3 3 年， d o w n s 对麻省公式进行修正，认为荷载在路面层内的传布与垂直方向成某 一分布角的圆锥上，所以传到路面的顶面时，压力分布于一个圆形的 面积上而不是正方形，但他仍假定汽车荷载为集中荷载。1 9 3 4 年，g r a y 认为由于汽车荷载轮胎接触路面为一个面积，所以不应当假定汽车荷载为 集中荷载，而应当假定汽车荷载为圆形均布荷载。 古典公式如图i i 、图卜2 所示。 图i - i古典应力示意图 图i - 2古典公式改进 这些古典应力公式是假定路面只起分布荷载的作用，采用简单的分布 角的概念，这种朴素思想的路面力学理论存在以下问题：从各公式得知， t i l l l 上 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路面厚度主要取决于土基承载力的大小，也就是土基强度的问题，但是在 当时没有提出土基参数的测定问题；古典应力公式以轮载作为交通荷 载，未能反映交通量的因素，这在当时轻交通时代可能矛盾不突出，但随 着交通的发展，不考虑交通量是无法使用的。解决的办法就是在土基承载 力取值上应根据交通量的大小采取不同的安全系数。 在2 0 世纪初期出现水泥混凝土路面后，就遇到了如何估算路面板厚 度的问题。最初并没有采用赫兹理论，而是由欧尔德( c o l d e r ) 和歌德 贝克( a t g 0 1 d b e c k ) 在1 9 2 0 年根据水泥混凝土路面板角隅断裂的观察 结果，欧尔德“”再根据材料力学原理，假定地基脱空，板是悬臂变截面梁， 于是便提出了早期的荷载应力计算公式一欧尔德公式。即： 盯：，3 p( 1 1 )盯2 ll j 内。 式中：p 一车轮荷载；盯一混凝土路面板顶产生的拉应力；卜路面板厚度。 威斯特卡德“53 ( h m s w e s t e r g a a r d ) 于1 9 2 5 年最先运用温克勒 ( e w i n k l e r ) 地基上无限大板或无限大弹性地基薄板模型，推导了由于 荷载作用引起的混凝士扳荷载应力公式。威斯特卡德研究了三种典型临界 荷载位置下的板的最大挠度和最大应力。这三种荷载位置为板中( 图卜3 荷位1 ) 、板边( 图卜3 荷位2 ) 、板角( 图卜3 荷位3 ) 。由板的挠曲面微 分方程及温克勒地基假定可得应力分析的理论公式。即： q ( x ，y ) = k w ( x ，y ) ( 卜2 ) 式中：卜地基反映模量。 之后，威氏公式经过多次修正和 理论上的不断完善，直到现在仍然广 泛应用于许多国家的刚性路面设计 的实践中。 在1 8 8 2 1 8 8 8 年，塞路蒂 图1 3 ( c e r r u t i ) 提出了在单个集中水平力作用下的均质弹性半空间体内应力和 位移计算的理论解。1 9 1 6 年日本学者寺泽宽一( k t e r a s a w a ) 对在轴对称 荷载作用下的半空间体，采用贝塞尔( b e s s e l ) 函数法求出了应力和位移 计算的完整表达式。1 9 2 9 年洛夫( a e h l o v e ) 采用势能原理得出了半空 间体在均布圆形面积荷载作用下任意点应力计算的近似解。这些研究结果 在后来的路面设计研究中得到了进一步的发展，并曾得到了广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 1 2 1 2 沥青路面层状体系理论分析方法路面是由各种不同材料，按一 定厚度和宽度分层铺筑在路基顶面上的结构物。沥青路面是由具有粘性、 弹塑性的沥青结合料和颗粒矿料组成的路面，往往修筑成多层体系。它的 力学特点是各结构层具有一定的塑性，弯沉变形较大，抗弯拉强度较小， 主要依靠抗压、抗剪强度来抵抗车辆荷载的作用，它的破坏主要取决于荷 载作用下的垂直位移和水平拉应变( 力) ，土基的刚度和稳定性对路面结 构整体强度和刚度有较大的影响”“。 国外的研究 理性星丛焦丕 图l 一4 描 述了一个多层弹性体系的总概 念。对于多层弹性体系，为了 获得其应力应变的理论解，一 般要作如下一些假定：( 1 ) 每 层材料特性是均质的，即彳，点 的特性与毋点一样；( 2 ) 除更 下的层外，每层都有一定厚度， 其在水平方向上是无限的； ( 3 ) 每层都是各向同性的，即 图1 4 一般化的多层弹性体系 ( 此图来自于文献 1 7 ) 在特定的点( 例如彳，点) 的特 性在每个方向和方位上都是相同的；( 4 ) 在上层表面作用的荷载可以是轴 对称荷载，也可以是非轴对称荷载，荷载的分布形式能够用解析表达式来 描述；( 5 ) 在荷载作用下，水平方向无限远处和竖直方向无限深处的应力 和位移都等于零；( 6 ) 层间的接触条件可以是完全连续，也可以是完全光 滑，层间的接触面上不传递剪力d t i s o 单层体系在分析理想物质的应力、应变和弯沉中，最早由布辛尼 斯克( j b o u s s i n e s q ) 创立了均质各向同性及弹性介质表面点荷载的布辛 尼斯克公式。纽马克( n e w m a r k ) 研制出弹性土体荷载应力的影响图，在 基础工程中得到广泛的应用。巴贝( b a r b e r ) 用表的形式提供了为应力及 变形计算方便的质料。山本( s a n b o r n ) 和约德( y o d e r ) 提出了在布辛尼 斯克固体中，应力和弯沉的图解法。之后，水道实验站和工程师兵团在柔 性路面有关应力和弯沉的研究方面，推导出半无限弹性体的影响值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 f o s t e r 和a b l v i n 提出了圆形荷载板的垂直应力、水平应力和垂直弹性应 变的计算值，其数值是以= 0 5 展开的。这些研究成果后来由a h l v i n 和 u 1 e r y 加以整理，进一步扩大为求解任一泊桑比的均质体内任一点的应力、 应变和弯沉的完整模式“。 多层体系沥青路面通常是多层体系。因此在研究沥青路面设计方 法时，较为理想的力学模型应当是层状体系理论。它较弹性半空间理论更 能反映沥青路面的实际工作状况。现代理论分析设计法是以波米斯特 ( d m b u r m i s t e r ) 1 9 4 3 年发表的双层体系理论解析解为起始的“。由于 生产的需要和科学技术的发展，特别是数学和计算技术的发展，推动了理 论分析的逐步完善。在波米斯特1 9 4 3 年的论著发表之后他于1 9 4 5 年又提 出了三层弹性体系理论。1 9 4 8 年福克斯( l f o x ) 和汉克( h a n k ) 给出了数 值解，1 9 5 1 年阿堪姆( a e a a c u m ) 和福克斯等人，1 9 6 2 年琼斯( a j o n e s ) 和皮蒂( k r p e a t t i e ) 发表了三层体系实用图表“”，1 9 6 7 年v e r s t r a e t e n 研究了多层弹性体系数值解的一般方法，并详细研究了四层体系的应力和 位移的响应。他考虑的圆形均布荷载集度的形式为垂向均布、切商均布和 均布向内等几种情况。”。这些理论研究成果为理论解析设计法奠定了坚实 的基础。 随着计算机技术、力学理论及数值计算方法的迅速发展，人们已能编 制出n 层弹性体系的计算机程序，求算n 层体系内任意点的应力和位移值。 在美国有c a l i f o r n i a 研究院的e l s y m 程序，有c h e v r o n 研究公司的 c h e v 一5 l 程序；在荷兰有s h e l l 研究工作组的b i s a r 程序；在澳大利亚有 联邦科学与工业研究院的g c p - i 程序和m e c d e 一1 程序，此外还有法国的 a l i z e 程序、英国的l r 6 0 0 和3 7 3 程序等。在1 9 8 7 年c l m o n i s m i t h e ta 1 发表了基于e l s a 结构分析程序的a c d a m 疲劳车辙损坏预估模型，e l s a 是e l s y m 5 的改进程序，最多能计算1 0 层体系，i 0 0 个荷载，每个荷载可 以有l o 个变化参数儿”儿”1 弹性非线性分析对于路面材料的非线性特性，国内外均非常重 视。第二届沥青路面结构设计国际会议发表了多篇弹性层状理论验证的文 章，在大量室内和现场应力应变的实测中，b r o w n 等( 1 9 6 7 ) 发现土基和粒 料层的模量很难确定，模量值随着应力水平的变化而变化，即它们之间有 相互依赖的关系。以后，t h r o w e r 等( 1 9 7 2 ) 对不同轮载大小，不同运行速 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 度和不同温度条件下真实路面的响应进行了实测，结果表明，在高温以及 路面的刚度大部分取决于无结合料层时，实测值与理论值相差较大，其原 因是难以确定高温时沥青混合料的动态模量，粒料层材料明显的非线性应 力应变关系也难以用正确的本构方程进行描述”“。在s h e l l 设计法中土基 的模量是采用动力试验测定的动态模量。该法对松散材料、整体性材料的 模量值建立了与应力相关而不同的经验公式。此外，它将沥青混合料的模 量与沥青的劲度模量及材料组合之间建立了定量关系“”。 以上这些方法，从本质上说都是把材料的非线性在一定的应力水平上 当作线性弹性处理，并通过实验加以修正。这种处理方法在一定程度上反 应了材料的实际工作状态，但是其应用是有一定局限的。 一些学者探讨了应用线弹性理论分析非线性弹性问题的方法。f f j n n 等( 1 9 7 7 ) 改进了c h e v - 5 l 线弹性程序，使之可以考虑材料的非线性性质， 应用该程序计算得到的应力、应变和弯沉等力学响应作为输入，得到疲劳 开裂和永久变形的预估模型，形成了一个路面设计和使用性能预估的系统 的方法。在三轴试验的基础上，他们得出了粒料层应力依赖性方程 m ，= t 汐，以及土基的应力依赖性方程m ，= 七。吼屯。“。黄仰贤。”编制的 k e n l a y e r 程序也能应用迭代的方法考虑材料的菲线性。对颗粒材料的非线 性弹性本构关系的研究逐渐引起人们的重视。例如，j e a n b a l a y 等( 1 9 9 7 ) “ 利用循环三轴试验，研究了在不同围压下无粘结颗粒材料u g m ( u n b o u n d g r a n u l a rm a t e r i a l ) 和地基的本构关系，并验证和完善了b o y c e ( 1 9 7 6 、 1 9 8 0 ) 提出的非线性的k g 模型。 童星抽理性述亟”2 “”“”3 沥青路面设计理论近二十年来迅速发展 的主要标志一是层状体系理论和计算方法的深入研究，并将其成果应用到 路面设计中去；二是对路面结构进行深入研究，进一步揭示了其物理力学 性质，为路面结构设计提供了强度标准和参数。 由于沥青混合斟中所含沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘一弹性 性状，沥青路面在荷载作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的 特性。因此，一些研究者将流变学理论应用于路面力学性质的研究。 流变学理论将所研究的介质体看作由理想的弹性体、理想的粘性体和 理想的塑性体组成，也就是物体是由不同性质质点组成的连续体，其中一 部分质点是弹性的，一部分是粘性的，一部分是塑性的。这种物体通常简 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 称为粘弹塑性体。仅由前两种质点组成的连续体，则为粘弹性体。常用的 流变模型有：m a x w e l l 模型、k e l v i n 模型、j e f f r e y s 模型、v a nd ep o e l 模型及b u r g e r s 模型等。 由于力学理论和数学计算工具的发展，到了2 0 世纪5 0 年代，开始展 开了对层状路面体系的粘弹性分析。1 9 5 5 年，e h l e e 首先发表了粘弹 性体的应力分析一文，提出了一般粘弹性材料的分析方法。6 0 年代 m o n i s m i t h 等人利用流变学的观点研究了沥青混凝土和层状体系的粘弹性 工作性质，论证了某些粘弹性模型的正确性。1 9 6 7 年，a s h t o n 等人分析 了三层线性粘弹性体系在圆形均布垂直荷载下的力学响应。日本学者 k e n j ii s h i h a r a 等人研究了路面体系在车辆荷载下其力学响应与时间有 关，速度的提高相当于加载时间的减少。同时他们考虑了m a x w e l l 和v o i g t 两种简单模型下二层体系粘弹性解。黄仰贤( y h h u a n g ，1 9 6 7 ) 利用 l a p l a c e 变换，把弹性静力常数替换成与时间有关的常数，而后反演得出 结构的粘弹性解。同时h u a n g 还分别探讨了用l a p l a c e 变化法和拟合的近 似方法等两种不同方法求解二层体系和四层体系的应力和位移。l i v n e h 等( 1 9 7 2 ) 发展了重复荷载作用下的二层体系k e l v i n 粘弹性路面模型， g b a t t i a t o 等( 1 9 7 7 ) 研究了移动荷载下二层m a x w e l l 粘弹性体系的理论 解等问题。他们所做的研究为粘弹性层状体系理论的深入研究打下了一定 的基础。 7 0 年代又有许多研究者发表了该理论在柔性路面设计中的应用文章， 提出了路面设计体系，如f p s ，s a m p ，c p a c ，v e s t r a ，v e s y s 等。在这些 体系中，路面设计不仅包括路面结构和路面厚度，而且也包括路面使用性 能预测、维修养护计划、路面寿命预测、费用计划等各项因素。八十年代 又对这些体系作了改进，提出了v e s y s 一、a g i p 等模型，使粘弹性体系 理论的研究开始走上实标应用的轨道。k e n i s 等( 1 9 7 7 ，1 9 8 2 ) 通过室内和 现场试验验证了v e s y s 结构分析系统的正确性。a g i p ( 1 9 8 2 ) 粘弹性程序采 用m a x w e l l 流变模型，可以计算三层体系。上层为粘弹性，中层和下层为 线弹性，利用h a n k e l 变换和b e s s e l 函数求解。 进入九十年代以后，许多学者继续完善和深化了对路面粘弹性体 系的研究。1 9 9 2 年和1 9 9 7 年h o p m a ne ta 1 利用对应原理发展了一个 多层线性粘弹性体系的程序v e r o a d ，这个模型采用了b u r g e r s 流变模 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 型，可以考虑圆形的垂向和水平荷载。h u a n g ( 1 9 9 3 ) 发表的k e n l a y e r 程序可以计算单圆或多圆垂向均布荷载，沥青混凝土层可考虑为线弹 性或线性粘弹性，粒料层和土基的非线性通过细分各层，采用迭代法 进行处理。s h ie l d se ta 1 ( 1 9 9 8 ) 在研究沥青混合料单向应力松弛试 验时，发现在刚开始施加应变时，混合料就表现出非线性粘弹性，初 始应变越大，则非线性越明显。作者还研究了直接应力松弛试验及非 线性粘性对实际道路中应力的影响。 国内的研究 瑾蛙星趑签丕1 9 6 2 年前后，为了建立柔性路面设计的理论基础，国 内对层状弹性体系理论积极开展研究工作。1 9 6 4 年，朱照宏教授利用轴对 称洛甫位移函数求得双层和三层弹性体系在单圆均布垂直荷载作用下的 应力和位移分量表达式；吴晋伟高级工程师根据轴对称苏斯威尔位移函数 也导出双层和三层弹性体系在单圊均布垂直荷载作用下的应力和位移分 量解析解。1 9 7 3 年左右，郭大智教授采用非轴对称洛甫位移函数得到双层 和三层弹性体系在单圆均布单向水平荷载作用下的应力和位移分量理论 解。这些研究成果为我国进一步的研究打下了良好的基础。在采用位移函 数法求解应力和位移分量一般勰时，郭大智教授和钟阳教授根据拉梅方程 式，采用积分变换方法，分别以位移分量和体积变形与位移分量的关系式 作为基本变量求解”“。 随着高等级路面层数的增加，以之相应的多层弹性体系理论分析方法 也得到了进一步的发展。主要有：吴晋伟高级工程师提出韵“反力递推 法”、郭大智教授提出的“系数递推法”、王凯教授提出的“递推回代 法”。这三种解法均优于“矩阵解法”。”。李朝阳“则又于1 9 9 8 年采用分析 综合法与分离变量法建立了弹性三层体系应力位移显式模型，所求得的应 力位移逼近公式完全可推广应用于多层体系。孙璐口们等( 1 9 9 8 ) 通过有限 弹性层状体系理论，并利用回归分析的方法，对柔性路面中层底面弯拉应 力进行了计算分析。 我国对弹性层状体系理论的研究成果在实践中的应用，集中体现在对 柔性路面设计方法的不断改进和完善。自建国以来，共提出过1 9 5 8 年、1 9 6 6 年、1 9 7 8 年、1 9 8 7 年、1 9 9 7 年五个版本，目前研究工作仍在继续深入开展 之中。我国柔性路面设计方法的总系统是以理论解析为基础的，1 9 5 8 年的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 n 路面设计规范的设计方法是沿用苏联道路科学研究院制定的1 9 5 4 年版的 柔性路面设计须知的方法；1 9 6 6 年的设计方法仍以布辛尼斯克均质弹 性半空间体系位移解析解为基础，但纠正了苏联基本公式的错误，提出了 双层和多层体系连续积分法的基本公式和参数；1 9 6 6 年至1 9 7 8 年的设计方 法以双层体系、双圆荷载作用下的结构垂直位移解析解为基础；1 9 8 7 年颁 布的柔性路面设计规范是以三层体系，双圆荷载图式，水平、垂直荷载综 合效应下的应力、位移解析解为基础；现行的沥青路面设计规范( 1 9 9 7 版) 是以多层弹性理论、层间接触条件为完全连续体系为基础，采用哈尔滨 建筑大学的a p d s 9 7 程序进行沥青路面计算机辅助设计。”2 。 随着高等级路面的修建，非线性分析也越来越受到人们的重视。王选 仓等人( 1 9 9 7 ) 。”采用线性和非线性分析方法对重载下沥青路面弯沉、弯 拉应力进行了对比分析。重庆交通学院的何兆益等人( 1 9 9 7 ) o ”在考虑碎 石基层非线性特性的基础上，采用弹性多层体系迭代方法分析了具有碎石 上基层的半刚性沥青路面路表弯沉、面层底面及半刚性基层底面弯拉应 力，建立了路面结构层厚度与路面抗疲劳寿命的关系。当然，更多学者采 用有限元法来进行非线性特性分析，这一点在下面的有限元法的研究现状 中作了较为详细的阐述。 墨星扯鞋性懂苤在国内，从八十年代才开始把沥青路面看作多 层粘弹性体系来进行研究。严作人在1 9 8 7 年发表了可考虑四种粘弹性 模型的粘弹性半空间的力学分析n 们的文章后，又于1 9 8 8 年发表了n 层 粘弹性体系在圆形均布垂向和水平荷载作用下的应力和位移的计算 方法，可以考虑多种粘弹性流变模型，以此为基础编制了e v 程序”“。 许志鸿等( 1 9 9 2 ) 以弹粘性层状体系理论为基础，采用l a p l a c e 变 换中的初值定理和终值定理求解的方法，结合室内试验及现场量测 ( a l f ) 得到了半刚性基层沥青路面车辙的简化预估公式。在求解应力 和位移的粘弹性一般解时，国内出名的郭大智积分变换解法和钟阳积 分变换解法，这两者主要应用于路面体系的轴对称问题中心“。 国内还有一些学者专门从材料的角度研究了沥青混合料的粘弹 性介质模型。张肖宁等( 1 9 9 2 ”根据g r e e n r i v l i n 提出的f r e e c h e t 级数，提出了一个兼具长时粘流效应及短时粘弹效应的一维非线性本 构方程，并对一种沥青混合料采用蠕变试验方式拟合了本构方程的参 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 数向量。李国强等( 1 9 9 7 ) ”以b u r g e r s 模型为基础，提出了一个四元 件非线性流变模型( f n n r ) ，用以描述沥青混合料的蠕变实验的全过 程，并给出了模型中各参数与温度的关系式。高英等( 2 0 0 1 ) “”依据 粘弹性层状体系理论，分别从路表弯沉、整体性材料层底拉应力及疲 劳寿命、车辙预估等方面说明超重载交通对路面结构的破坏性作用。 1 2 2 沥青路面的有限元法分析 用解析的方法分析沥青路面难以描述较为复杂的材料物理性质的本 构关系，它只能求解一些较为简单的荷载形式。而实际道路材料的力学性 质是非常复杂的，轮胎接地形式也是复杂多样。有限元数值分析方法的出 现为路面力学分析提供了一个有力的工具，它能成功地处理如应力分析中 的非均质材料、各向异性材料、非线性应力一应变关系以及复杂的边界条 件等难题。当然，有限元分析法也有一定的局限性，它只能对具体结构和 参数进行计算分析，无法直接用显式表达各变量之间的定量关系式，对于 不同的问题，需要用户重新生成输入信息，所以对用户的要求较高。 国外的研究 2 0 世纪6 0 年代，有限元法在求解混凝土应力分析方面得到成功的应 用。y k c h e u n g 和0 c z i e n k i e w i c z “提出了弹性地基上板体的有限元分 析方法，w r h u d s o n ，h m a t l o c k “2 3 用离散单元法分析了温克勒地基上刚 性路面板存在脱空情况下的应力。6 0 年代以后，有限元法就已逐步在柔性 路面结构设计和应力分析中得到推广和应用。