（材料学专业论文）旧路改建沥青加铺层结构分析研究.pdf

摘要 随着旧路改建项目比例的增加，如何对沥青混凝土加铺层结构进行有效而又简便的 分析越来越重要。目前国内外对沥青加铺层的设计指标研究仍然处于探索阶段，还没有 形成完整的体系。本文在前人研究的基础上，借鉴国内外对旧路改建和新建路结构分析 和设计指标的研究成果，对沥青加铺层的典型结构和各自特点进行了系统、深入的理论 分析，打破了传统的使用沥青路面和水泥路面对旧路改建进行划分的方式，建立了适用 于沥青加铺层旧路改建的新体系，并确立了适用于这个新体系的设计验算指标。 对沥青加铺层下为非板体的结构，采用沥青加铺层层底拉应变和非板体下卧层顶面 压应变为设计验算指标。采用经典的弹性层状体系理论，对沥青加铺层下卧层为非板体 的结构，针对其典型特征分别考虑主要影响因素，计算分析了沥青加铺层层底拉应变和 下卧层顶面压应变，验证了设计指标。对沥青加铺层下为板体的结构，采用加铺沥青层 后对荷载应力和温度应力的影响分析为设计依据。使用有限元分析方法，考虑旧水泥板 模量和厚度、新加铺沥青层厚度以及荷载大小等因素，对加铺沥青层后的水泥混凝土板 荷载应力和温度应力进行了计算分析。研究得到了沥青加铺层对荷载应力的影响系数 图。 关键词：沥青加铺层，典型结构，非板体下卧层，设计指标，板体下卧层， 荷载应力，温度应力 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fo l dp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n ，i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt o a n a l y z et h es t r u c t u r eo fa s p h a l to v e r l a ys i m p l ya n de f f e c t i v e l y n o wt h es t u d yo nt h ed e s i g n c r i t e r i ao fa s p h a l to v e r l a yi ss t i l la tt h eg r o p i n gp h a s ea n dh a sn o tb e e na ni n t e g r a t e ds y s t e ma t h o m ea n da b r o a d b a s i n go nt h ep r e v i o u sr e s u l t s ，t h ep r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n d t h ed e s i g nc r i t e r i ao nr e c o n s t r u c t i o no fo l dp a v e m e n ta n dn e wp a v e m e n ti sr e f e r e n c e d t h e t y p i c a ls t r u c t u r e so fa s p h a l to v e r l a ya n dt h e i rf e a t u r e sa r ea n a l y z e ds y s t e m l ya n di n d e p t h l y t r a d i t i o n a lm a n n e ro fd i v i d i n go l dp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o nw i t h a s p h a l tp a v e m e n ta n d c o n c r e t ep a v e m e n ti sb r o k e na n dt h en e w s y s t e ma n d r e l e v a n td e s i g ni n d i c e si sb u i l t f o rt h es t r u c t u r eo fn o n s l a b su n d e r l a y e r , t h ec o m p r e s s i o ns t r a i no fa s p h a l to v e r l a y b o t t o ma n dt o ps u r f a c et e n s i o ns t r a i no fn o n s l a b sa x eu s e df o rd e s i g ni n d i c e s i na l l u s i o nt o t h et y p i c a lf e a t u r ea n di n f l u e n c i n gf a c t o ro fs t r u c t u r eo fa s p h a l tu n d e r l a y e r , t h ec l a s s i c a l e l a s t i cl a y e rs y s t e mt h e o r yw a su s e dt oa n a l y s et h ec o m p r e s s i o ns t r a i no fa s p h a l to v e r l a y b o t t o ma n dt o ps u r f a c et e n s i o ns t r a i no fu n d e r l a y e r , a n dt h ed e s i g ni n d i c e sa r et e s t e d a tt h e s a m et i m et h ei n f l u e n c i n ga n a l y s i so nt h el o a da n dt e m p e r a t u r es t r e s si su s e df o rt h ed e s i g n p r i n c i p l eo fs t r u c t u r eo fd e c ku n d e ra s p h a l tl a y e r f o rt h es t r u c t u r eo fc o n c r e t es l a bo rr i g i d b a s eu n d e ra s p h a l tl a y e r , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e da n dt h ef e a t u r eo fo l dc o n c r e t e s l a bm o d u l u s ，t h i c k n e s so fn e wa s p h a l tl a y e ra n dl o a da l ec o n s i d e r e d t h el o a da n d t e m p e r a t u r es t r e s so fc o n c r e t es l a ba f t e rc o n s t r u c t i n ga s p h a l to v e r l a ya r ec o m p u t e d t h e i n f l u e n c i n gm o d u l u sp i c t u r eo fl o a ds t r e s sf r o ma s p h a l tl a y e ri sa c q u i r e d k e yw o r d s ：a s p h a l to v e r l a y , r e p r e s e n t a t i v es t r u c t u r e ，n o n s l a b su n d e r l a y e r , d e s i g ni n d i c e s ， s l a b su n d e r l a y e r , l o a ds t r e s s ，t h e r m a ls t r e s s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 气蝴 如7 年月r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 2 5 哪 轻用2 m 直尺量得车辙深= 2 5 衄 变形类车辙 重 用2 m 直尺量得车辙深 2 5 珊 波浪、 轻 波峰和波谷之间高差= 2 5 哪，拥包高度= 2 5 r a m 拥包 重 波峰和波谷之间高差 2 5 衄，拥包高度 2 5 衄 轻坑槽深度= 2 5i l l m 坑槽 表面 重 坑槽深度 2 5r a m 损坏类轻指磨光，麻面 磨损 重 指露骨 泛油不分级 其他类轻 状况良好，或有轻微损坏，对行车无或有轻微影响 补丁 重有中等或严重破坏，对行车有较大影响 2 1 1 2 评定标准【1 2 1 3 ，1 4 1 对沥青混凝土路面如何进行评定，我国公路路面养护技术规范( j t j0 7 3 _ _ 9 6 ) 和公路沥青路面养护技术规范( j t j0 7 3 2 _ - 2 0 0 1 ) 中作了详尽的规定，二者基本 相同。路面综合指标包括四个方面，两个“使用质量 指标是“平整度 和“抗滑系数， 两个“结构潜力 指标是“破损”和“强度 。这里的破损主要是“材料类破损 ，也有 “结构类破损 的表象；“强度”指标实际上是结构综合变形量。 路面综合指标计算分四个步骤：( 1 ) 首先应取得现场调查指标数值；( 2 ) 由调查指 标数值计算评价指标；( 3 ) 由评价指标查出其模糊评价分值；( 4 ) 再由模糊评价分值和 权重系数计算其综合评价。 路面评价指标关系和算式，见表2 1 2 。 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 1 2 路面评价指标和算式 指标 平整度破损强度抗滑系数 国际平整度指数路面综合破损率 调查i r l = a + b x b ld r = d | 入路面代表弯沉l横向力系数s f c 指标b i ：平整度设备测试值d ：路段折合破损面积路面允许弯沉l o 摆值b p n a 、b ：标定系数a ：路段总面积 评价行驶质量系数路面状况指数路面强度系数横向力系数s f c 指标r q i = 1 1 5 - 0 7 5 x i r ip c i = 1 0 0 - 1 5 d r n 4 1 2 s s l - - i o a 摆值b p n 路面质量指数 综合p q i = p c i x p l + r q i x p 2 + s s i x p 3 + s f c x p 4 指标p c i 、r q i 、s s l 、s f c ：p c i 、r q i 、s s i 、s f c 的模糊评价分值 p 1 、p 2 、p 3 、p 4 ：p c i 、r q i 、s s i 、 s f c 的权重 模糊评价分值和建议权重，见表2 1 3 。 表2 1 3 模糊评价分值和建议权重 模糊评价分值 优良中次差建议 p c i r q i 9 28 0 6 5 5 03 0权重 s s i s f c p c i- - - 8 57 0 8 55 5 7 04 0 5 5 4 00 3 r q l- - 8 57 0 8 55 5 7 04 0 5 5 4 00 3 高速、一级 = 1 21 0 一- 1 20 8 1 00 6 - 0 8 o 6 s s io 3 其他等级 = 1 00 8 1 o0 6 0 80 4 - - 0 6 o 4 s f c= 0 50 4 0 50 3 0 4o 2 0 3 0 2 0 1 b p n- - 4 23 7 4 23 2 3 72 7 3 2 2 7 注：建议权重p l 、p 2 、p 3 可有正负o 帖的变化范围，但是p 1 + p 2 + p 3 + 1 4 - - 1 。 路面总和( 模糊) 评价和分值，见表2 1 4 。 表2 1 4 路面总和( 模糊) 评价和分值 优良中次差 综合( 模糊) 评价分值 9 2 8 0 6 5 5 03 0 p q l = 8 57 0 8 55 5 - 7 04 0 5 5 4 0 事实上，在旧沥青混凝土路面的加铺过程中，使用我国现有规范中的评价标准来选 择加铺层所采用的结构形式是可以的，鉴于我国还没有专门的旧路改造时的评价标准， 也可以参考国外的设计方法，比如a i 法介绍的，对旧路的状况进行大致的一个评定， 第二章沥青加铺层典型结构研究 然后确定代表模量值。 2 1 2 水泥混凝土路面 2 1 2 1 损坏类型【1 5 j 水泥混凝土路面的损坏主要分为四类：裂缝、竖向位移、接缝损坏、表层损坏，具 体的形式有十三种：纵横斜向裂缝、交叉裂缝和破碎板，板角断裂，唧泥，错台，沉陷， 隆起，拱起，接缝破碎，填缝料损坏，表面裂纹，层状剥落，坑洞，修补损坏。损坏类 型及其特征和分级标准见表2 1 5 - 2 1 8 。 表2 1 5 水泥混凝土面层断裂类病害 裂缝类型 分级标准 贯穿水泥混凝土面层的断( 1 ) 平行或近于路面中心线的纵向裂缝。 裂裂缝，按裂缝出现的方位( 2 ) 垂直或斜向路面中心线的横向或斜向裂缝。 和板断裂的块数，分为4 种 ( 3 ) 从板隅到斜向裂缝两端的距离小于1 8 锄的角隅断裂。 病害。 ( 4 ) 两条以上裂缝交叉，使板断裂成3 块以上的交叉裂缝和 断裂板。 纵向、横向或斜向裂缝和角( 1 ) 轻微一缝隙边缘无碎裂或错台的细裂缝，缝隙宽度小于 隅断裂病害，按裂缝缝隙边 3 珊；或者，填封良好、边缘无碎裂或错台的裂缝。 缘碎裂程度和缝隙宽度，可 ( 2 ) 中等一缝隙边缘中待碎裂( 或) 错台小于1 0 衄的裂缝， 分为下列3 个轻重程度。且缝隙宽度小于1 5 衄。 ( 3 ) 严重一缝隙边缘严重破裂或错台大于1 0 衄，且缝隙宽 度大于1 5 蛐。 交叉裂缝和断裂板病害，按( 1 ) 轻微一板被轻微裂缝分隔成2 , - - , 3 块。 裂缝等级和板断裂的块数( 2 ) 中等一板被中等裂缝分隔成3 - - - 4 块，或被轻微裂缝分隔 可分为下列3 个轻重程度成5 块以上。 等级 ( 3 ) 严重一板被严重裂缝分隔成4 - - - , 5 块，或被中等裂缝分隔 成5 块以上。 表2 1 6 水泥混凝土面层竖向位移类病害 竖向位移类病害类型 分级标准 水泥混凝土面层的竖向位移，按产( 1 ) 沉陷 生原因的不同分为下列2 种病害。 ( 2 ) 胀起 沉陷和胀起病害，按其对行车的影 ( 1 ) 轻微一车辆以限速驶过时仅引起无不适感的轻微 响可分为下列3 个轻重程度等级跳动。 ( 2 ) 中等一车辆驶过时有产生不舒适感的较大跳动。 ( 3 ) 严重一车辆驶过时产生过大的跳动，引起严重 不适感或不安全。 1 2 长安大学硕士学位论文 表2 1 7 水泥混凝土面层接缝类病害 接缝类病害 分级标准 水泥混凝土路面板接缝( 1 ) 接缝填缝料损坏。 处的损坏，按损坏的形( 2 ) 纵向接缝张开。 态和影响范围可分为下( 3 ) 唧泥和板底脱空。 列6 种病害。( 4 ) 错台。 ( 5 ) 接缝碎裂。 ( 6 ) 拱起。 接缝填缝料损坏，按填( 1 ) 轻微一整个路段接缝填缝料情况良好，仅有少量接缝出现上 缝料出现变化、挤出、述损坏。 缺损的情况，可分为3 ( 2 ) 中等一整个路段接缝填缝料情况尚可，1 3 以下的接缝长度 个轻重程度等级。 出现上述损坏，水和硬质材料易渗入或挤出。 ( 3 ) 严重一接缝填缝料情况很差，1 3 以上的接缝长度出现上述 损坏，水和硬质材料能自由渗入或挤入，填缝料需立即更换。 纵向接缝张开病害，按( 1 ) 轻微一接缝张开1 0 蕊以下。 接缝的张开量可分为3 ( 2 ) 严重一接缝张开1 0 姗以上。 个轻重程度等级。 唧泥和板底脱空病害， ( 1 ) 轻微一车辆驶过时，有水从板缝或边缘外唧出，或者在板接 可分为2 个轻重等级( 裂) 缝或边缘的邻近表面残留有少量唧出材料的沉淀物。 ( 2 ) 严重在板接( 裂) 缝或边缘的表面残留有大量唧出材料的 沉淀物，车辆驶过时，板有明显的颤动和脱空感。 错台病害，按相邻板边( 1 ) 轻台量小于5 衄。 缘的高差大小可分为3( 2 ) 中等错台量5 1 0 姗。 个轻重程度等级。( 3 ) 严重错台量大于1 0 脚。 接缝碎裂病害，按碎裂( 1 ) 轻微一碎裂仅出现在接缝或裂缝两侧8 锄范围内，尚未采取 范围和程度可分为3 个临时修补措施。 轻重程度等级。( 2 ) 中等一碎裂范围大于8 锄，部分碎块松动或散失，但不影响 安全或危害轮胎。 ( 3 ) 严重一影响形成安全或危害轮胎。 表2 1 8 水泥混凝土面层表层类病害 表层类病害类型分级标准 水泥混凝土面层表层损坏，( 1 ) 磨损和露骨。 可分为5 种病害。( 2 ) 纹裂、网裂和起皮。 ( 3 ) 活性集料反应引起的网裂。 ( 4 ) 粗集料冻融裂纹。 ( 5 ) 坑洞。 1 3 第二章沥青加铺层典型结构研究 续表2 1 8 水泥混凝土面层表层类病害 表层类病害类型分级标准 磨损和露骨病害，按磨损或 ( 1 ) 轻微一磨损、露骨深度小于等于3 哪。 露骨的深度分为2 个轻重 ( 2 ) 严重一磨损、露骨深度大于3 衄。 程度等级。 纹裂、网裂和起皮病害，按( 1 ) 轻微一板的大部分面积出现纹裂或网裂，但表面状况良 是否出现起皮和起皮病害的好，无起皮。 面积，可分为3 个轻重程度 ( 2 ) 中等一板出现起皮，面积小于等于混凝土面积的1 0 。 等级。( 3 ) 严重一板出现起皮，面积大于混凝土板面积的1 0 。 活性集料反应病害可分为3 ( 1 ) 轻微一板出现网裂，面层可能变色，但未出现起皮和 个轻重程度等级接缝碎裂。 ( 2 ) 中等一出现起皮和( 或) 接缝碎裂，沿裂缝和接缝有 白色细属。 ( 3 ) 严重一出现起皮和( 或) 接缝碎裂的范围发展到影响行 车安全或危害轮胎，路表面有大量白色细屑。 集料冻融裂纹病害可分为3 ( 1 ) 轻微一裂纹出现在缝或自由边附近，范围大于0 3 m 范 个轻重程度等级。 围内，缝未发生碎裂。 ( 2 ) 中等裂纹出现在缝或自由边附近，范围大于0 3 m ， 受影响区内出现轻微或中等碎裂。 ( 3 ) 严重一裂纹影响区裂缝出现严重碎裂，不少材料散失。 坑洞病害不分轻重程度等级 修补损坏病害，按修补处再( 1 ) 轻微一轻微破损，或边缘处有轻微碎裂。 次出现的损坏情况，分为3 ( 2 ) 中等一轻微裂缝或车辙、推移，边缘处有中等碎裂和 个轻重程度等级。1 0 衄以下错台。 ( 3 ) 严重一出现严重裂缝、车辙、推移或错台，需重新修补 2 1 2 2 评定标准【1 6 ，1 7 ，1 8 】 我国交通部对水泥混凝土路面养护颁布了两个行业标准，一是公路水泥混凝土路 面养护技术规范( j t j0 7 3 1 2 0 0 1 ) ，另一个是公路养护技术规范( j t j0 7 3 9 6 ) 。此 外，在公路水泥混凝土路面设计规范( j t jd 4 0 2 0 0 2 ) 中又补充了一些力学标准。 公路水泥混凝土路面养护技术规范( j t j0 7 3 1 2 0 0 1 ) 中对水泥混凝土路面养护 状况有如下评定标准。 路面破损状况等级评定标准，见表2 1 9 。 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 1 9 路面破损状况等级评定标准 评定等级优 良中次差 路面状况指数p c i = 8 58 4 7 06 9 5 55 4 - - - 4 0 2 0 行驶质量评定标准，见表2 1 1 0 。 表2 1 1 0 行驶质量评定标准 i 评定等级优良中次差 i 行驶质量指数r q i = 8 58 4 7 06 9 - 4 54 4 2 0 2 0 表中行驶质量指数r q i 按下式计算， r a i r = l o 5 - o 7 5 1 p d 式中，i r i ( m k m ) 为路面平整度指数。 路面抗滑能力评定标准，见表2 1 1 1 。 表2 1 u 路面抗滑能力评定标准 ( 2 1 1 ) 评定等级优良中次差 构造深度( r a m ) = 0 80 7 0 60 ，6 0 4o 3 o 2 0 2 抗滑值s r v = 6 56 4 5 55 4 - 4 54 4 3 5 1 5 接缝传荷能力和板底脱空状况标准，见表2 1 1 3 。 表2 1 1 3 接缝传荷能力分级标准 l 等级优良 中 次 差 i 接缝传荷系数k j ( ) 8 08 0 5 65 5 3 1 p g g g g t 1 9 1 。 二、双层a p p 油毡与蜂窝状特种金属网格 与土工布或土工隔栅的作用原理和使用方法基本相同，但使用在水泥混凝土路面 上，由于厚度和强度相对比较小，土工布或土工隔栅很容易被刺破或拉断。双层a p p 长安大学硕士学位论文 油毡与蜂窝状特种金属网格无论从拉伸强度或延展性上都会相对好点，具备更长的使 用寿命。 三、沥青胶砂类 1 、s t r a t a 应力吸收层| 2 0 , 2 1 1 相对于普通改性沥青而言，s t r a t a 应力吸收层是一种高等级高弹性的聚合物改性 沥青混合料，s t r a t a 系统是由美国科氏沥青材料公司专为减少沥青混凝土反射裂缝而 研发的，具有较强的粘结力和较大的变形能力。适宜的使用厚度为2 5 c m 。 2 、我国自行研发的应力吸收层【冽 参照s t r a t a 应力吸收层的设计方法和原理，我国在工程实践中也在不断研发自 己的应力吸收层。比如s m a - 5 、a c 5 等，而主要的粘结材料都是使用改性沥青或复合 式改性沥青以及木质纤维等。 实践证明，使用价格比较昂贵的应力吸收层所能达到的效果远比使用土工织物等要 好的多。 表2 4 2 采用夹层的典型结构形式 以下单位均为厘米 加铺层厚度791 01 51 8 加铺层结构 3 + 44 + 54 + 64 + 5 + 65 + 6 + 7 夹层 11 52 l 2 5 旧水泥混凝土板 2 4 旧路基层2 0 上表中的夹层设置和加铺层设置可以根据工程实际情况需要进行合理的组合。 很多学者在进行沥青加铺层结构分析时，通常将设置夹层的结构单独考虑进行分 析，本文将其归入板体下卧层直接加铺沥青层的结构，是出于以下考虑：一是因为夹层 厚度都较薄，按照本文分析方法，对分析结果影响很小；二是本文在分析时将考虑沥青 加铺层厚度变化的影响，设置夹层可以看作沥青加铺层厚度增加，但具体的等效厚度不 作研究。 2 4 2 旧水泥路面设置刚性基层后加铺 如果旧路路面板破碎严重，路基存在各种病害，已经严重影响路面的使用，或者使 用了破碎处理，在这种情况下，首先要作的是对旧路面进行结构性和功能性的补强，对 于交通量为特重的情况下，往往还会有超载和重载存在，在设置柔性基层或半刚性基层 不合适时，可以考虑采用刚性基层，如贫混凝土或碾压混凝土，可以根据排水及强度要 第二章沥青加铺层典型结构研究 求选择使用。典型结构形式如表2 4 3 ： 表2 4 3 设置刚性基层典型结构 刚性基层，以下单位均为厘米 加铺层厚度 791 01 51 8 加铺层结构3 + 44 + 54 + 6 4 + 5 + 65 + 6 + 7 刚性基层 1 51 82 0 2 2 2 4 旧水泥混凝土板 2 4 旧路基层 2 0 对于旧水泥混凝土路面破碎之后设置刚性基层的结构，破碎水泥混凝土板实际上是 充当了新加铺层的底基层，而且已经不作为板体受力，所以也并不是两层板结构，依然 可以借鉴复合式路面的分析方法。在本文的分析中，考虑了水泥混凝土板模量和厚度以 及下卧层不同模量和厚度的影响，所以，对水泥混凝土板破碎后重新设置刚性基层进行 沥青加铺的结构，不作单独的分析。 2 5 本章小结 1 、按照沥青加铺层设计的要求对沥青和水泥混凝土路面的损坏类型进行了分类， 并研究了其评价标准。 2 、按照沥青加铺层下卧层是否为板体的原则，重新定义了沥青加铺层典型结构的 划分方法。提出了新划分的典型结构采用的分析方法和主要参数。 3 、根据本文对沥青加铺层典型结构划分的方法，按非板体下卧层沥青加铺层典型 结构和板体下卧层沥青加铺层典型结构的分类，对目前广泛采用的加铺形式进行了详细 的分析，提出了具体的典型结构。 长安大学硕士学位论文 第三章接触压力和沥青混凝土模量确定性分析 3 1轴载与接触压力 汽车的荷载是通过轮胎的胎面向路面传递的，因此在力学设计方法中，必须知道轮 胎与路面的接触面积，传统的路面力学计算采用圆形均布荷载来表征车辆对路面的作用 方式。虽然已有研究表明轮胎接地压力远非圆形均布的形式，而是在接触面上呈现出复 杂的三维应力分布，但由于轮载、胎压、轮胎的种类和新旧、车辆的运行情况、路面特 征等因素都对接地压力产生影响，而这些因素的影响规律还没有被完全把握，所以本文 仍采用圆形进行简化。 理论上，当轮胎胎面和胎壁没有任何刚度时，接地压力的大小与胎压是相等的，与 轮载无关。但实际情况并非如此，对于轮胎内压力与接触压力大小的问题目前研究工作 者还有不同的观点。 美国肯塔基大学教授黄仰贤观点如下：如图所示，对于低压轮胎，由于胎壁受压， 而胎壁和胎压二者的竖向力之和应等于接触压力产生的竖向力，因此，接触压力大于胎 压。对于高压轮胎，由于胎壁受拉，则接触压力小于胎压，重型轴载均采用高压胎压， 给路面造成严重破坏，因此，以胎压作为接触压力是偏于安全的【1 1 。 胎壁受压 f1 、1 、 接触压力 胎壁受压 t下 f t f 接触压力 图3 1 1 轮胎与路面接触受力图示 我国交通部公路研究院研究员孟书涛根据对全钢丝子午线轮胎试验，测绘了不同轮 胎压力和不同荷载下轮胎接地图( 见图3 1 2 ) ，并计算了实际轮胎接地面积和轮胎实际 接地的轮廓阴影面积。根据计算结果，计算了单轮实际当量荷载半径和轮廓面积当量半 第三章接触压力和沥青混凝土模量确定性分析 径，并根据规范中规定的当量荷载半径计算公式，计算了不同轮胎压力和不同荷载下理 论单轮荷载当量半径。得出结论是：不同荷载和轮胎压力下的当量荷载半径都比根据理 论公式计算出来的当量荷载半径大，也就是说，实际的轮胎接地面积大于规范中规定的 值；根据实际接地面积计算出来的接触压力不比轮胎内的压力小；随着荷载的增加，在 同一轮胎压力下，荷载传递到路表面的压力逐渐增大；随着轮胎压力的增加，在同一荷 载水平下，荷载作用于路面表面的压力逐渐增加。并给出了计算得到的图3 1 3 【2 3 1 。 定 葛 、 磊 灏瞅鞭 o 5 i 缀0 7 m p a0 船务 图3 1 21 0 0 k n 轴载在不同轮胎压力下的轮迹 图3 1 3 轮胎内压与计算接地压力之差 随着荷载的增加，轮胎内的压力与实际接地压力的差值逐步减小：随着轮胎内压的 不断增加，轮胎内压与实际接地压力的差值逐渐增大。研究认为，全钢丝子午线轮胎具 有承受较高压力的能力，而其传递给路面表面的接触压力并不等于其内压，而是小于其 内压。 在以往的设计方法中，包括我国的沥青路面设计规范，都是采用每个轮胎承受的荷 载除以胎压得到，由于胎面上花纹的存在，实际的有效接触面积比总接地面积小，故较 准确的计算平均接地压力的方法是实测轮印形状，计算净接地面积，用轮载大小除以净 接地面积，得到接地压力的荷载集度。有研究表明【她2 5 , 2 6 1 ：轮胎胎面的有效接触面积( a 有效) 与总接触面积( a ) 之比可以大致取为7 0 。所以有研究者认为，轮胎与路面的实 际接触压力应该是大于轮胎内胎压的。并且在实测数据的基础上得到了如下描述平均接 地压力与胎压和轮载的回归关系式： 长安大学硕士学位论文 c 一0 4 8 9 l + 0 3 7 3 p4 - 2 2 2 2 c = 0 4 2 0 l + 0 2 9 0 p + 1 2 2 8 0 1 2 ) 式中：c 一平均接触压力( k g f c m 2 ) 5 l 一轮载( k 酉) ； p 一胎压( k g f c m 2 ) 式3 1 1 考虑了轮胎花纹的影响，式3 1 2 不考虑轮胎花纹的影响。虽然在轮胎实际 的使用过程中，磨损是必然的，但是为了力学分析的安全性考虑，选择使用式3 1 1 进 行轮胎接触压力的计算。 重型轴载多采用双轮组，每个轮胎接触形状由一个矩形和两个半圆形组成。假设矩 形长度为0 4 l ，宽度为0 6 l ，圆半径o 3 l ，接触面积a c 。等价为矩形时，长度为0 8 1 7 2 l ， 宽度为0 6 l 。如图3 1 4 所示。计算得到面积公式为3 1 4 。 广一o 6 l 到 1 一一 或 q 少。 8 ，7 2 l j ( q ) 实际面积( b ) 当量面积 图3 1 4 轮胎接地面积尺寸 l c 一万( 0 3 l ) + ( o 4 l x o 6 l ) 一0 5 2 2 7 l 2 三一压0 5 2 2 7 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 按照式3 1 1 和公式3 1 4 计算得到不同轮载和轮胎压力下的实际接地压力p 、当量 圆面积a 实际和当量圆半径d 实如表3 1 1 所示。 第= 章接触压力和青m 凝攘量确定性n 析 表3 1 1 轮腑实际接触压力计算表 p p 轮胎p 计算接地压力与轮a 实际 d 实 d 理 内压，m p a压力，m p a胎内压之差c m 2e r ac m 0 7 2 6 0 8 1 1 0 6 6 090 1 387 89 4 0 0 0 12 2 56 88 4 885 1 】1 8m 1 2 82 07 8 2 2 8 45 1 n 9n 2 32 6 57 11 03 0 1 112 00 1 02 4 92 489 193 2 1312 8n 0 2 2 3 46 9 86 485 7 07n 4 53 0 42 5 o912 3 1 1 13 0n 加2 6 93 292 6 1313 70 0 72 5 4 790 0 0 71 3 4 9 13 2 0 4 298 21 18 9 14 003 09 5 51 07 6 1 - 3 n 73 3 52 7 09 2 8 73 6 0 7 43 4 7 6 8 3 3 05 4 0 4 93 1 5 01 0 0 1 1316 603 69 7 9 1 10 6 根据上表可以得到接地压力与轮胎内压之差图。 图3 1 5 接地压力与轮胎内压之差随轮载变化图 长安大学硕士学位论文 将图3 1 5 与图3 1 3 比较，两个图的变化规律截然不同，在图3 1 5 中，计算得到 的接地压力都是大于轮胎内压的，只有在轮胎内压力为1 3 m p a ，轮载小于1 2 0 k n 时才 出现了接触压力小于轮胎内压的情况。在轮胎内压不变的情况下，随着轮胎荷载的增加， 差值呈现明显地上升趋势，也就是说随着轮胎荷载的增加，即使轮胎内压比较小，接触 压力也可以到达很大。在表3 1 1 中，当轮载2 0 0 k n 时，轮胎压力0 7 m p a 时，接地压 力就已经达到了1 4 4 m p a ，当然这种情况是比较少见的，一般轮载2 0 0 k n ，轮胎内压肯 定也会达到1 0m p a 左右，此时，接地压力与轮胎内压的差值应该在0 4 - 0 6m p a 之间。 而且从图3 1 5 可以看出，在轮载不变的情况，随着轮胎内压的增大，差值逐渐变 小，在荷载1 0 0 k n ，轮胎内压力1 1 m p a 时，接地压力与轮胎内压基本是相同的，当轮 胎内压到达1 3 m p a 时，就已经出现了负值。不同轮胎内压下，随轮载增加，接地压力 与轮胎内压的差值基本呈线性地增加，而且不同轮胎内压的变化规律基本一致。 经过上面的分析之后，容易造成一种误解，认为如果轮载比较大时，可以靠增加轮 胎内压减少接地压力。其实这是错误的，因为图中只是反映了差值的变化，从表3 1 1 中看到，在同一轮载下，随轮胎内压的增加，接地压力还是变大的。所以，如果想减少 超载对路面的损坏，唯一的办法仍然是限制超载。 3 2 沥青加铺层温度场研究 3 2 1 目前研究成果 路面结构处于自然环境的影响中，经受着持续变化的各种环境因素的综合作用。而 沥青材料又是一种典型的温度敏感性材料，沥青混合料是沥青和矿物集料的结合体，在 不同的温度下的路用性能有显著的不同。在夏季高温条件下，沥青的粘度急剧下降，集 料颗粒之间的粘结力减小，混合料劲度模量降低，在重复荷载作用下容易产生较大的永 久变形。而在冬季温度较低时，混合料具有较高的强度，但是其抵抗变形的能力显著下 降，容易造成裂缝。 我国所处的位置是季风气候最典型、最强烈的地区。多数地区冬季寒冷，夏季炎热， 年温差大，这一气候特征对沥青混凝土路面是极为不利的。另外，我国幅员辽阔，地区 之间的差异非常大，造成不同地区沥青路面的温度场也有很大不同。所以，在进行沥青 混凝土路面的设计时，对路面温度场进行适当的研究是具有理论和现实意义的。 各国学者对路面温度场进行了大量的研究，主要分析方法一是基于气象学和传热学 的理论分析法，二是以路面温度的实测数据和气象资料为基础的统计分析的方法。研究 第三章接触压力和沥青混凝土模量确定性分析 成果比较有代表性的有美国的s h r p 研究成果和我国同济大学孙立军教授建立的统计 回归公式【2 4 i 。 s h r p 报告认为，在高温条件下，路表温度是由路表的热气流决定的。而路表的热 气流是由多方面的因素决定的，可用下式表示： 路表热气流= 直接太阳辐射+ 热扩散空气对流热传导一路面体辐射0 2 1 ) 经过回归分析后，s h r p 最终提出的高温情况下路表最高温度计算公式如下： 如= 死+ 0 0 0 6 1 8 l a t 2 + 0 2 2 8 9 l a t + 2 2 4 0 2 2 ) 式中：t s 路表最高温度( ) ； t a 最高气温( ) ； l a t 纬度( o ) 。 路面某一深度处的最高温度可以通过下式由路表最高温度计算得到： 乃o n a x ) u ( 互( m 。x ) + 1 7 7 8 ) ( 1 - 2 4 8 x 1 0 3 d + 1 0 8 5 x 1 0 - 5 d 2 - 2 4 4 1 x 1 0 - 8 d 3 ) - 1 7 7 8 ( 3 2 3 ) 式中：t d 恤) 路面特定深度处的最高温度( ) ； 蚰路表最高气温( ) ； d 距离路表的深度( 衄) 。 s h r p 以路表以下2 0 m m 处为路面的高温设计温度，对于旧路加铺的情况来说，仅 仅考虑表面层是不够的，所以本文采用地沥青协会的方法，以每层1 3 点的温度用做路 面的设计温度。 s h r p 认为路面最低温度可以直接采用路表温度，即如下式： 瓦删m2 互；024) 式中：t m 姗v t 路面特定深度处的最低温度( ) ； t s 路表最低温度( ) ； t a 距路表的深度( 蛐) 。 而路面特定深度处的最低温度可以由下式通过路表最低温度计算得n - 乃( 叫。互+ 5 1 x 1 0 五d 一6 3 1 0 州d ( 3 2 5 ) 式中：t d ( 曲) 路面特定深度处的最低温度( ) ； k m i n ) 路表最低温度( ) ； 长安大学硕士学位论文 d 距路表的深度( r a m ) 。 孙立军教授的路面温度场预估模型分为考虑太阳辐射的模型和仅考虑气温的简化 预估模型，虽然不考虑辐射的作用会使夏季高温的计算偏于保守，但鉴于我国大部分地 区还未建立太阳辐射观测站，本文又是对设计指标的研究，所以采用简化模型也足够了。 路面日最高气温的预估模型如式3 2 6 所示： 一一3 0 4 0 + 0 9 9 4 x t , , , 。- 0 0 0 7 乙一h + ( - 1 6 7 6 。h + 0 2 0 1 - h 2 0 0 0 8 h 3 ) + o 4 9 8 已 ( 3 2 6 ) 式中：t 口一沥青路面某一深度处的日最高气温( ) ； t a m “日最高气温( ) ； h 路面深度( c m ) ； t m 地区修正系数，即历年月平均气温( ) 。 路面日最低温度的预估模型： 曲一3 3 9 9 + 0 7 2 1 x t o , l 血+ ( o 3 7 7 x h 一0 0 1 x h 2 ) + o 4 8 8 x t , , , ( 3 2 7 ) 式中：t p m i n 沥青路面某一深度处的日最低气温( ) ； t a m i n 日最低气温( ) ； h 路面深度( c m ) ； t m 地区修正系数，即历年月平均气温( ) 。 以上介绍的研究成果都具有一定的局限性，并不能完全适用于我国的实际情况，一 是因为地域上的原因，二是我国很多地区还不具备以上研究结论所需的观测数据，所以 无法直接使用其成果。本文拟根据我国的实际气候情况对以上几种方法进行比较分析。 首先研究我国典型的气候特征。 3 2 2 我国典型地区的气候研究 根据纬度、沿海与内陆等的划分原则，选择四个代表地区，北京、西安、广州、上 海，根据气象资料确定四个地区的四个季节的典型温度。 根据气象资料，北京1 9 7 1 年一2 0 0 0 年3 0 年各月平均气温及地面温度和地面下不 同深度处各月平均温度如表3 2 1 ： 3 1 第三章接触压力青凝土模量确定性* 析 表3 2 1 北京3 0 年各月平均气温及底面不同深度处温度表 月份 89 气温o 7- 0 j 58 1 992 482 0 0 - l _ 5 地面温度 - 5 11 m 7 0 1 7 12 432 8 92 7 4o0 地面下5 c m 0 8591 5 12 2 02 6 72 782 6 42 151 3 84 81 4 地面下1 0 c m 之3 0 j561 4 62 142 6 02 7 42 63 2 17 m 5 地面下1 5 c m - 170 2 0 82 7 02 6 12 181 4 86 40 2 地面f2 0c m 一13- 0 51 3 72 592 191 5 16 90 8 地面f4 0 e r a0 62 482 4 91 599 1 圈3 2 1 北京不同月份地面下不同深度魁温度变化趋势图 从上面的图表可以看到地面及以下深度范围内的温度随气温的变化规律。虽然不是 沥青路面的温度，但可以说明在高温情况下，路面表面的温度是高于气温的，随深度的 逐渐加深而降低；在低温情况下，路面表面的温度是低于气温的，随深度的逐渐加深而 升高。下面三个表格是西安、广州和上海的气温变化情况，从中我们也可以得出相同的 结论。 西安1 9 7 1 年- 2 0 0 0 年3 0 年各月平均气温及地面温度和地面下不同深度处各月平 均温度如表3 2 2 ： 表3 2 2 西安3 0 年各月平均气温及底面不同深度处温度表 气温m 12 91 9 82 t 8 2 53 1 9 91 3 9 6 9 地面温度 2 191 t 66 80 8 地面下5 e r an 18 71 5 82 1 22 5 72 8 d2 1 石1 t 975 地面下1 0 锄0 53 38 61 5 j2 0 82 5 0”正2 7 62 1 81 5 48 12 1 地面下1 5 锄1 o3 48 41 5 12 0 42 ”2 2 7 4 2 2 01 588 72 8 地面下2 0 锄 2 t 32 02 7 12 2 19 23 3 地面下4 0 锄2 23 67 9 1 381 8 92 3 12 5 72 6 41 6 91 054 6 长安大学硕士学位论文 广州1 9 8 1 年- - 2 0 0 0 年2 0 年各月平均气温及地面温度和地面下不同深度处各月平 均温度如表3 2 3 ： 表3 2 j 广州2 0 年各月平均气温及底面不同深度处温度表 月份 123456789 1 01 11 2 气温 1 3 91 4 51 7 72 2 2 2 5 52 7 72 8 72 8 62 7 32 4 52 0 01 5 4 地面温度 1 5 61 6 21 8 92 3 42 7 52 9 83 1 23 1 02 9 82 7 12 2 2 1 7 2 地面下5 c m1 5 61 6 01 8 52