（岩土工程专业论文）交通荷载作用下城市沥青道路路基的动力响应和塑性变形分析.pdf

摘要 道路路基是路面的支撑结构物，对城市道路而言，由于路基填土厚度有限， 且较多都是零填路基，沥青路面在使用过程中所出现的沉陷、车辙和裂缝等损 坏，虽然一部分是由于路面各结构层本身的变形所引起，但相当大部分是路基 过量的塑性变形所造成的。路基的变形可区分为三种类型：交通荷载反复作用 下产生的累积塑性变形，填土自重荷载下的压密沉降及固结沉降。本文主要对 路基在交通荷载作用下的动力响应和累积塑性变形展开研究。 本文主要内容分四部分： 目前我国公路沥青路面设计规范中规定路面结构各层均处于完全连续 的界面条件，实际道路使用过程中，界面条件经常是部分连续甚至是滑动的。 本文第一部分分剐考虑界面接触条件为连续和滑动，以沥青路面在使用过程中 所出现的沉陷、车辙和裂缝等早期损坏现象为主线，采用弹性层状体系理论对 路基路面结构各层进行了静力分析。 第二部分以我国典型的城市道路路基路面结构为模型，采用三维动力有限 单元法分别从三个不同的角度研究了车辆荷载的超载率，车速和车轴数对城市 道路路基动力响应的影响。 针对交通荷载反复作用下路基产生的累积塑性变形问题，第三部分采用累 积塑性应变的经验公式结合本文第二部分的应力分析方法，采用分层累积方法 计算路基总的塑性变形，并以美国加州车道试验( c a t a p t ) 5 0 1 r f 段道路试验数 据为根据，对本文的计算方法进行了实例验证。 最后，本文对上海地区软土路基在交通荷载作用下的残余变形问题做了分 析，并采用平面应变弹塑性有限元法分析了路基残余变形对路面丌裂的影响。 关键词：城市沥青道路，路基，交通荷载，动力响应，累积塑性变形 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es u b g r a d ei st h es u p p o r to ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r e s p e a k i n go ft h eu r b a n r o a d t h eh e i g h to ft h ee a r t hf i l li sl i m i t e da n dm a n yo ft h e mh a v en o e m b a n k m e n t s t h ep a v e m e n t sd a m a g es u c ha ss e t t l e m e n t ，r u t t i n ga n dc r a c kw h i c h a p p e a ri nt h eu s i n gp r o c e s s ，p a r t l yb e c a u s eo ft h ep a v e m e n t ss t m c t u r ed e f o r m a t i o n b yt h e m s e l v e s b u tq u i t em a j o r i t ya r ci n d u c e db ye x c e s s i v ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h e s u b g r a d es o i l s t h es u b g r a d ed e f o r m a t i o nm a i n l yc o m ef r o ms o i ls e l f - w e i g h t c o m p a c t i o n ，s o i lc o n s o l i d a t i o na n da c c u m u l a t i v ep l a s t i cd e f o r m a t i o nu n d e rv e h i c l e l o a d t h i st h e s i sp r e s e n t sar e s e a r c ho nd y n a m i cr e s p o n s ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n o ft h es u b g r a d es o i l su n d e rv e h i c l el o a d f o u rp a r t sa r ei n c l u d e di nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： a tp r e s e n t ，s p e c i f i c a t i o n so fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t ”j t j 0 1 4 - 9 7h a s s t i p u l a t e d t h a te a c hc o n t a c ts u r f a c ec o n d i t i o no ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r ea r e c o m p l e t e l yc o n t i n u o u s i nf a c t ，s o m ec o n t a c ts u r f a c ec o n d i t i o n sa m o n g t h ep a v e m e n t s t m c t u r ea r ep a r t i a lc o n t i n u o u so re v e ng l i d e i nt h ef i r s tp a r t ，s t a t i ca n a l y s i so ft h e p a v e m e n ts t r u c t u r ei sd i s c u s s e db ye l a s t i cl a y e r e ds y s t e mt h e o r yw i t ht h ef o r e p a r t d a m a g ep h e n o m e n ao ft h ep a v e m e n te x p l a i n e da b o v e i nt h es e c o n dp a r t t h en u m e r i c a lm o d e lo fu r b a l lr o a di no u rc o u n t r yi sb u i l t a n dd y n a m i cr e s p o n s eo ft h es u b g r a d es o i l si n f l u e n c e db ym o v i n gd y n a m i cv e h i c l e l o a di ss t u d i e db yt h r e e d i m e n s i o n a l ，d y n a m i c a lf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m i th a s b e e ns t u d i e di nt h r e ed i f f e r e n tv i e w ss u c ha st h ev e h i c l eo v e r l o a dr a t e ，v e h i c l es p e e d a n dt h en u m b e ro f a x l ew h i c hi n f l u e n c et h er e s u l to fs u b g r a d es o i l sd y n a m i c r e s p o n s es e p a r a t e l y u s i n ga ne m p i r i c a lc u m u l a t i v ep l a s t i cs t r a i nf o r m u l a ，i nt h et h i r dp a r t ，a m e t h o df o rc a l c u l a t i n gc u m u l a t i v ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h es u b g r a d es o i l si n d u c e d b yv e h i c l el o a dw a sp r o p o s e dc o m b i n e db yt h es t r e s sr e s u l tg a i n e di nt h es e c o n dp a r t a tt h ee n do ft h i sp a r t ，t a k i n gt h e5 0 1 r fp a r to fc a l t r a n sa c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t ( c a t a p t ) p r o g r a mi nc a l i f o m i af o re x a m p l e ，t h ev a l i d i t yo ft h em e t h o di sc o n f i r m e d f i n a l l y , t h er e s i d u a ld e f o r m a t i o no fs o f tc l a ys u b g r a d ei ns h a n gh a iu n d e r a b s t r a c t v e h i c l el o a di ss t u d i e d t h ec r a c ko fp a v e m e n ts u r f a c ei n f l u e n c e db ye x c e s s i v e r e s i d u a ld e f o r m a t i o no fs u b g r a d es o i l si sd i s c u s s e db yp l a n e s t r a i ne l a s t i c p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m k e yw o r d s ：u r b a na s p h a l tr o a d , s u b g r a d e ，v e h i c l el o a d , d y n a m i cr e s p o n s e ， c u m u l a t i v ep l a s t i cd e f o r m a t i o n m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：梁& 牢 立一7 年；月扫 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 必。7 年 | 袁军 口e t 泽湖 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 路基对于路面结构而言，其主要功能是承载由路面传递而下的车轮荷重， 并支持路面结构。在交通荷载的反复作用下，路基土会发生变形并导致上部路 面结构的破坏。这种破坏形式在沥青路面中主要表现为开裂和车辙。路基土在 路面结构永久变形的开始和传递过程中起着关键性的作用，直接影响路面的使 用性能。与沥青表层及粒状基层永久变形研究相比，路基土永久变形的研究没 有受到足够的重视【l i 。 在承受交通荷载的多次反复作用后，路基塑性变形逐渐累积，在使用一定 的年限后，因路基的累积塑性变形引起的沥青路面损坏发展到不符合使用要求 时，便需进行改建或重建。过短的使用年限将增加养护工作量和费用，并严重 干扰路上的正常交通，因此研究交通荷载作用下路基的动态响应，预估路基在 一定使用年限后的累积塑性变形，对于我国以后的道路设计和施工都具有重要 的现实意义。 1 2 路基路面结构力学研究现状与进展 1 2 1 路基路面结构静力学理论研究进展及相关计算程序 b u r m i s t e r 于1 9 4 3 年首先得到了圆形均布竖向和水平荷载下双层弹性体系的 理论解，1 9 4 5 年又得到了三层弹性体系在垂直荷载作用下的应力和位移的理论 解。1 9 8 7 年壳牌石油公司根据b u r m i s t e r 弹性层状理论开发了b i s a r 程序，用于路 面应力计算，路面材料为线弹性材料。荷载可以为圆形竖向荷载或水平荷载， 层间界面条件可以考虑完全滑动到完全连续。k e n l a y e r 程序( 美国肯塔基大 学开发) 基于b u r m i s t e r 多层弹性层状体系理论，可以计算单个或多个圆形均布 荷载下的路面结构力学响应，沥青混凝土材料可以采用弹性模型或粘弹性模型， 类似的基于弹性层状理论编制的路面力学计算程序还有很多，例如e l s y m ( 美 第一章绪论 国加州大学伯克利分校开发) 、v e s y s ( 美国联邦公路局开发) 等。弹性层状体 系理论在早期路面力学经验设计法中发挥了积极的作用。上述路面力学计算 程序共同的缺点主要为： l 不能考虑移动荷载的动力效应，只能进行固定荷载作用下的静力分析； 2 因为轴对称假设，只能将车辆轮载简化为圆形均布荷载进行计算，但误 差在允许范围内。 1 2 2 路基路面结构动力学理论研究进展及相关计算程序【2 j 3 1 s n e d d o n ( 1 9 5 1 ) 首先给出了弹性半空白j 体在匀速移动荷载作用下的动态响 应通用积分方程。e a s o n ( 1 9 6 5 ) 对移动荷载作用下弹性半空间体的稳态响应进 行了研究，采用积分变换法求解控制方程，并将荷载以亚音速移动速度下所得 的三维无限积分简化为一维有限积分；但该积分仅适用于求解弹性半空间体内 部质点的动力响应，而无法求解其表面动力响应。m i l e s ( 1 9 6 0 ) 和p a ”o n ( 1 9 6 4 ) 分别给出了轴对称弹性半空f b j 在非匀速移动点荷载下的动态响应解的积分形 式，但需要用数值计算方法才能得到解答。c h e n ( 1 9 8 7 ) 编制了层状体系在移 动线荷载下动态响应的计算程序m o v e ，该程序可以考虑层状体系各层材料的粘 弹性性质。由m o n i s h m i s h 和他的合作者s o u s a 等开发的计算机程序s a p s i ，可用 来计算粘弹性层状系统受到匀速移动的竖向圆形均白荷载时的动力响应。k a d m - c h a t t i 等在s a p s i 基础上开发了s a p s i m 程序，这个程序的荷载条件可以是瞬间 的运动荷载，这个方法对路面分析是一个巨大的贡献，实测结果表明速度的影 响是相当重要的，并且是路面结构特征的函数。p a p a g i a n n a k i s ( 1 9 9 6 ) 开发了同样 的程序，能够分析多圆荷载，且每个荷载都可以有各自的荷载作用区和时间历 程。z i az a f i r 等 2 1 ( 1 9 9 4 ) 采h w a n g 和l y s m e r 后) i ：提出的修正的平面应变模型， 采用傅立叶变换技术能够对多种组合荷载和非均布轮胎接触压力作用下柔性路 面进行动力响应分析，沥青混凝土面层采用粘弹性模型，基层和路基采用线弹 性模型，轮胎接触压力简化为矩形分布。r a iv s i d d h a r t h a n l 3 1 ( 1 9 9 8 ) 等提出有 限层法对柔性路面进行动力响应分析，接触面积可以采用非圆形，接触应力分 为法向应力和剪应力，路面材料可以考虑粘弹性，并编制了3 d m o v e 计算程序。 f r y b a l ( 1 9 9 9 ) 使用不同的方法对移动荷载作用下弹性半空问体的稳态响应问题 进行了研究并得到了响应的积分形式的解析解。y b y a n g ( 2 0 0 1 ) 研究了粘 2 第一章绪论 弹性半空间体在移动荷载作用下的稳态响应问题，就荷载移动速度等因素的影 响效果进行了分析。 国内有邓学钧等( 1 9 9 5 ) 1 4 1 首先将半无限弹性层状体系在空间上离散化，划 分为若干有限单元和无限单元的耦合，并推导了无限元的计算公式，进而又将动 力问题在时间上加以离散，提出了逐步求解弹性系统运动方程的算法，最后利 用编制的程序对半波正弦荷载作用下层状体系的动力响应进行了计算和分析。 钟阳等( 1 9 9 8 ) 垆l 利用l a p l a c c h 柚k c l 积分变换和传递矩阵相结合的方法推导出了 轴对称半空间弹性层状体系动态反应的理论解，并对某高速公路试验路进行了 理论计算和现场实测的比较。蒋建群，周华飞( 2 0 0 4 ) 1 6 就弹性半空间在移动集 中荷载下的稳态响应做了分析，并给出了弹性半空间内部动力响应和表面位移 解。 1 2 3 路基路面结构力学研究的数值解法 路基路面结构力学研究分析数值解法主要是有限单元法。 随着计算机性能的同益提高和大型通用有限元商业分析软件的出现，越来 越多的学者开始用有限元进行路基路面结构动力响应分析。 黄仰贤( 1 9 9 3 ) 【7 】考虑路基土的非线性，采用2 d 平面轴对称模型，加载形 式为单元均布荷载，用m i c h ，p a v e 和i l l - p a v e 进行了静力有限元分析，分析结 果和采用线弹性模型的k e n l a y e r 程序结果具有良好的一致性。 s a m e hz a g h l o u l 和w h i t e ( 1 9 9 3 ) 8 1 采用a b q u s 大型通用有限元商业软件， 对路面结构体系在移动荷载下的动态响应进行了分析，并结合实例，表明有限 元计算结果能很好符合实测结果。 b a s s a ms a a d ( 2 0 0 5 ) 1 9 j 运用a d l n a 有限元软件对柔性路面结构的动态响应进 行了分析，荷载固定，车速为5 0 k m h ，加载时间为0 1 s ，采用三角形加载，文中 对基层、底基层采用不同材料模型下，沥青面层底部最大拉应变和路基顶部最 大压应变进行了对比分析。 d a e h y e o n ( 2 0 0 4 ) i l o 用a b q u s 软件对当自u 越来越普及的单宽面轮胎( w i d e b a s et i r e ) 对路面的影响进行了分析，文中考虑了车轴两侧的车轮轮载，并分析 了车轴数不同时的路面塑性变形，但文中只对模型中b j 位置处路表单元加载， 加载时间等于单元边长除以车速，荷载形式为梯形荷载，进行循环加载计算。 3 第一章绪论 刘荫成( 2 0 0 5 ) 【l l 】对移动荷载下近桥台处路面结构动力响应进行了有限元 动态分析，采用a b q u s 软件，地基土分析深度为6 米，考虑了材料非线性性质， 分析了行车速度、阻尼比和胎压对路面动态响应的影响，并分析了单次加载和 多次加载下路面应力应变变化规律，得到了一些有益的结论。 1 3 道路试验研究进展 国外的道路试验主要是针对路面使用性能的研究。路面的使用性能是由路 面的结构行为决定的，所以针对路面使用性能的研究最后都归结为对路面结构 行为的研究【1 2 1 。路面结构行为主要包括如下几个方面( 孙立军，2 0 0 3 ) ： 1 ) 路面损坏( 裂缝、松散、坑槽、构造深度变化等) ： 2 ) 路面变形( 车辙、平整度等) ： 3 ) 材料特性( 材料模量和劲度、材料强度等) ； 4 ) 力学特性( 弯沉、应力、应变等) 。 其中路面裂缝和路面车辙是研究的重点。道路试验主要分路面长期使用性 能试验( l t p p ) 和加速路面试验( a p t ) 。 1 3 1l t p p 试验 l t p p 是s h r p 研究计划的一个子项，其目的是对目前的路面技术进行全面客 观的了解和评价，研究提出能够解释路面使用性能变化过程的模型，弄清不同 的设计特点、不同的交通、不同的环境、不同的材料、不同的旄工质量和不同 的养护水平对路面性能的影响【1 2 1 。 l t p p 试验包括两个研究，即一般路面研究g p s 和特定路面研究s p s 。l t p p 试验路段中包含的路面类型十分广泛，除了新建的沥青路面、水泥路面外，还 包括旧沥青路面上加罩沥青路面、旧沥青路面上加罩水泥路面等。整个研究期 限是2 0 年( 1 9 8 7 年2 0 0 7 年) 。 1 3 2a 盯试验 a p l r 试验主要分足尺试验和车道试验。 1 足尺试验 4 第一章绪论 足尺试验采用实际的交通荷载、实际的路面施工质量、多个试验段，所以 可信度高，但是花费昂贵。 1 9 6 1 年美国各州公路工作者协会( a a s h t o ) 完成了一项综合性的足尺道 路试验 7 1 ，其中包括柔性路面，刚性路面以及桥梁试验，根据试验结果提出了 a a s h t o 路面经验设计法。1 9 9 5 年美国联邦公路局在内华达州进行的w e s t r a c k 试验目的是研究热拌沥青路面的使用性能【1 3 l 。试验道路长2 8 公里，车速6 5 k m h ， 该试验重点在沥青混合料的使用性能上，并提出了预估路面车辙和疲劳开裂的 经验模型和力学一经验模型。 2 车道试验 车道试验花费比足尺试验小，分为环形试验道和直线形试验道以及异形试 验道。加载装置一般是模拟的交通荷载，如南非的h v s j i 载装置，美国德州的 t x m l s 8 i 载装置等。 1 9 9 1 匀e s e b a a l y l 2 l 等在美国联邦公路局资助下，进行了新建道路的两个厚度 不同截面在移动车辆荷载下的沉降、应力应变实测。1 9 9 4 年，在加州交通部资 助下，h a r v a y , j t 等进行了c a i a 盯道路试验【1 4 】，历时6 年，采用南非h v s 加载 装置，试验所用的直线形试验道尺寸统一，长8 米，宽l 米，但路面结构不同， 面层加罩面也不同，试验目的主要是为了改进和完善c a i = r r a n s 道路设计法。 1 9 9 8 年，在h u g o 等人主持下，德州进行了一项直线形道路试验1 1 5 1 ，试验路长1 2 米，宽3 米，试验加载车为德州研制的移动荷载模拟器( t x m l s ) ，试验目的为 评价现存路面的剩余使用寿命、路面新材料使用性能、最佳的路面修复措施和 不同轮胎类型对路面结构的影响。 1 4 路基土累积塑性变形研究进展 通常的研究路基土长期累积塑性变形的方法有两种1 1 6 1 ：一种是建立较为复 杂的软粘土本构模型，来模拟循环过程的每一个循环，如王建华等、钟辉虹等 分别采用基于运动硬化的套叠屈服面模型和各向同性弹塑性边界面模型来模拟 软粘土不排水条件下受循环荷载作用的累积残余变形规律。这种方法对于计算 循环次数达到十万、百万次时，计算量很大，工程应用有较大难度。 另一种方法是经验拟合法，建立土体残余变形与土的初始固结特性、静应 第一章绪论 力状态、动应力及循环次数的关系的拟合曲线。放弃统一的本构矩阵而仅就应 力轨迹计算永久变形的方法虽然在理论力学的角度是不符合平衡条件的，但是 作为工程应用研究，仍不失为行之有效的手段【1 7 1 。 关于经验拟合法，汤连生等( 2 0 0 6 ) t l 对于其在国内外的研究进展情况进行 了详细的介绍。 m o n i s m i t h ( 1 9 7 5 ) 等提出了一个可以预测路基对车辙影响的能量模型。但由 于没有考虑初始静应力和循环动应力的影响，参数取值的离散性大，计算结果 往往与实测的误差较大。 。一a n 6 ( 1 1 ) 式中：。是永久变形或塑性变形；a t 是循环荷载加载次数；a ，b 均为 材料系数。 另外一个用的较多的车辙模型是o h i o 模型： 8 p7 i 州一 ( 1 2 ) a r e l 一c e x p ( a a y | o d j 、 式中：a ，m 均为车辙系数；r ，c 均为材料常量；e + 为回弹动力模量；盯。， 为临界轴差应力，口。为极限轴差应力：与m ，相似，材料性质是用回弹动力模 量e 。描述的，而e + 则是由含水量、密度以及土的结构的综合影响所决定的。 g u i r g u i s 提出可以采用相似的方程来预测永久变形： 5 ，- a ( o a ，w ) 一 ( 1 3 ) a 。t i e + i s 。 式中：i n 为l g e ，n l g n 曲线上的平均值；4 ( 吼，w ) 为车辙系数，取决于 轴差应力( ) 和含水量( w ) ；k ，s 均为施加的动应力所决定的参数。 p o u i s e n 等对6 个国家1 6 个位置采集的未扰动样品进行了循环荷载试验， 提出了与式( 1 1 ) 相似的模型方程： ，= e i 肌：鹏 ( 1 4 ) 式中：e le ：p ；均为材料特征常量；卢为破坏度。 l e n t z 对m i c h i g a n 路基砂的试验研究表明，当含水量的影响非常微弱时， 应力历史对于永久交形有很重要的影响，可用下式来研究永久变形与循环荷载 记录问的关系： 6 第一章绪论 e ，- a + b l g n ( 1 5 ) 式中：a ，6 均为材料系数：a 一0 9 5 1 ( 1 - s d ) 一0 1 5 ，& 为土的静态 固结度，0 9 5 e 。为土的固结度达到9 5 时的应变。 d i y a l j e 等在静止应力一应变数据和反复荷载试验的最小循环次数数据的基 础上，建立了一个能预测长期反复荷载作用下永久变形的关系式： 。- b e n x n m ( 1 ，6 ) 式中：b - f 。( ，工。) 为第一次循环时应变在x 0 时的值；x 为静止作用 下对于破坏轴差应力的反复轴差应力速率；n ，m 均为回归系数。 a l l e n 等提出了一个用于预测所有路面结构层永久变形的车辙模型： l g e ，一c o + c l l g n + c 2 ( 1 9 n ) 2 + c 3 ( 1 9 n ) 3 ( 1 7 ) 式中：g ，c i ，c 2 ，c 3 均为取决于材料特性、应力状态和( 或) 温度的 系数。 p u m p h r e 等对f l o r i a d a 路基砂土进行了试验，提出了永久变形的发展可以 近似的用下式来表示： ! ! ! ! ：墅墨撑+ 朋上( 1 8 ) od s , f 8 a s i 式中：n 一( 0 8 0 9 3 9 9 + 0 0 0 3 7 6 9 0 d ) x 1 0 。，m - 0 8 5 6 3 5 5 + o 0 4 9 6 5 0 i n v d ，对 于f l o r i d a 路基砂试验，n = 0 1 5 3 ，m = 1 1 9 4 1 。 d i n g q i n gl i l l 8 1 提出了一个扩展的能量模型用于预测路基土中累计的塑性 变形： 。i 口瓴吼) 4 n 6 ( i 9 ) 其中：a ，m ，b 为常数，和土的类型，含水量以及干密度有关，吼动三轴 试验时为偏应力a l 一0 3 ，地基变形计算中，吼用应力强度表示：吼一”：， 其中1 2 为应力偏张量第二不变量；q 为土的静力强度。 a n a n d j p u p p a l a 1 9 】提出了用于预测各种土质累积塑性变形的公式： 。一a n 8 ( d o 仃。) 4 ( 1 1 0 ) 7 第一章绪论 其中：a ，口，芦为含水量和干密度，土中砂质含量和粘质含量的函数，o o 为应力球张量， i 半， 为大气压强，1 0 0 k p a 。 1 5 研究中存在的不足 从国内外大量文献资料分析目l i 研究方法中存在的不足之处如下： ( 1 ) 与沥青表层及粒状基层永久变形研究相比，路基土永久变形的研究没有 受到足够的重视，沥青路面产生车辙的主因更多的被认为是由于沥青面层材料 的变形产生的，对于我国目前沥青路面大多采用半刚性基层的情况，国内很多 学者认为通过半刚性基层扩散到路基顶部的压应力已经足够小，路基土基本上 不会产生太大的塑性变形i 驯。显然，这对在软弱土地基上修建的城市道路( 低 路堤) 而言，与实际情况存在差异。目前通行的有关公路路基设计的规范准则 存在着明显的不足，没有直接计算在交通荷载作用下路基永久变形的方法，只 能通过间接调控的方法来控制路基的永久变形【1 1 。 ( 2 ) 有关公路路基路面设计理论的研究一直将应力分析与应变分析分丌处 理，因此在选定了变形模型后，还需对路基路面结构进行应力分析d 能求算路基 的永久变形1 1 1 。如的文所述，路基路面结构体系的静力分析应用程序已能方便求 出理论解，但动力分析仍只是停留在微分方程上，需借助数值方法得到解。路 面结构材料动力性质的复杂性加大了路面动力学分析的难度。要得出具有实际 应用价值的成果还需要进一步研究【i z l 。应力分析目前还是以静力学分析为主。 ( 3 ) 目前路基路面动力学分析中大多采用的是固定位黄的动荷载，即考虑 荷载的随机性又考虑荷载空间位置变化的理论研究迄今为止还没有取得实质性 进展，而这个方面的研究具有十分重要的理论意义和实践意义。同时，路面动 力学研究还缺乏系统性，各个研究只是孤立的讨论某一问题，而且，在所取得 的成果之问缺乏共同的认识。 ( 4 ) 国内土体动三轴试验大多集中在软土强度理论或者动孔压模型研究 上，国外很多动三轴试验的目的是确定路基路面材料的动回弹模量。但近年来， 越来越多的学者丌始意识到研究路基土在交通荷载作用下的累积塑性变形的重 要性，通过试验提出了很多用来计算路基土累积塑性变形的经验公式，但实际 8 第一章绪论 路基中一点的应力状态和试验时的应力状态有明显区别，参数的取值变化范围 太大，针对交通荷载作用下的路基塑性变形试验研究数据较少。 1 6 本文的研究内容 本文主要内容分四部分： 目前我国公路沥青路面设计规范中规定路面结构各层均处于完全连续 的界面条件，实际道路使用过程中，界面条件经常是部分连续甚至是滑动的。 本文第一部分分别考虑界面接触条件为连续和滑动，以沥青路面在使用过程中 所出现的沉陷、车辙和裂缝等早期损坏现象为主线，采用弹性层状体系理论对 路基路面结构各层进行了静力分析。 第二部分以我国典型的城市沥青道路路基路面结构为模型，采用三维动力 有限单元法分别从三个不同的角度研究了车辆荷载的超载率，车速和车轴数对 城市道路路基动力响应的影响。 针对交通荷载反复作用下路基产生的累积塑性变形问题，第三部分采用累 积应变的经验公式结合本文第二部分的应力分析方法，采用分层累积方法计算 路基总的塑性变形，并以美国加州车道试验( c a i a p n5 0 1 r f 段道路试验数据为 根据，对本文的计算方法进行了实例验证。 最后，本文对上海地区软土路基在交通衙载作用下的残余变形问题做了分 析，并采用平面应变弹塑性有限元法分析了路基残余变形对路面开裂的影响。 9 第二章考虑不同界面接触条什的沥青道路路基路面应力分析 第二章考虑不同界面接触条件的沥青道路路基路面应力 分析 2 1 我国沥青路面的主要结构形式 目前“强基薄面”的半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要形 式，并几乎成为包括沥青路面高速公路在内的唯一的结构形式，典型结构形式 如图2 1 。 b ) 表血层4 0 呻 蹦删船度悻： 篆= 蹦1 5 0 魄1 8 觯0 m m 9 0 1 2 0 m m 度中面层5 0 6 0 m l 下面层3 5 7 q 帅下面层6 0 8 蛔 1 层或2 层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎石( 砂砾) 基层，2 0 0 4 0 加m l 层或2 层水泥、石灰、粉媛灰稳定碎石( 砂砾上) 底楚层，1 5 0 3 5 劬m 图2 1 我国典型渤青路面结构形式f 2 1 l 半刚性基层的主要优点为： ( 1 ) 板体性强，有很高的承载能力和抗变形性能( 包括弯沉和车辙) ； ( 2 ) 有良好的抗冻性，能有效的治理季节性冰冻地区的翻浆； ( 3 ) 能充分利用当地地方性材料； ( 4 ) 所用沥青面层较薄，可以节省投资。 但是，采用薄沥青层的半刚性基层路面从长远来说，无法防止开裂，无法 防止各种途径的水的进入，又不能迅速的排除水，尤其是严重的超载超限车辆 通行的路段，超载和水的共同作用使沥青路面在短时日j 内发生较严重的损坏， 且导致基层结构的损坏。这种情况在多雨潮湿地区尤其显的突出，带有普遍性。 采用沥青稳定类材料、粒料等作为基层的沥青路面称为柔性基层沥青路面， 欧美国家用的较多，这种路面沥青面层要求较厚，一般大于1 8 c m 。柔性基层沥 青路面一般没有半刚性基层常见的反射性裂缝和水损坏，但对路基的强度要求 第二章考虑不同界面接触条件的沥青道路路基路面应力分析 较高。设计时根据交通量的大小沥青层和基层厚度可以适当调整。在我国，柔 性基层沥青路面一般用于较低等级公路。 组合式基层沥青路面是采用柔性基层和半刚性基层组合使用的沥青路面。 半刚性材料作为底基层，其上用沥青碎石基层或者粒科基层作为半刚性基层和 沥青面层的过渡层。本质上它属于柔性基层沥青路面，但是和完全采用柔性基 层的沥青路面有区剐。组合式基层沥青路面综合了半刚性基层和柔性基层的优 点，有效减少了路面的反射性裂缝和水损坏，沥青用量不大，适合我国的基本 国情。如我国早期的京津塘( 北京段) 高速公路，采用了1 3 c m 的沥青碎石过渡 层；沪宁公路( 无锡段，二级) 采用了7 c m 厚的沥青贯入碎石过渡层。但目前 我国己建成的高等级公路以采用半刚性基层，不设柔性过渡层者居多。 全厚式沥青路面不设基层和底基层，在天然的或者经过适当处理路基上直 接铺筑沥青层。全厚式沥青路面要求沥青层较厚，尤其在美国较为普遍，但明 显不适合我国国情。 2 2 沥青道路路面早期损坏的定义 在国外，许多沥青路面的使用寿命不超过1 0 1 2 年，与1 5 年以上的设计 寿命有较大差距，这种现象被称为早期损坏。 早期损坏在我国又被分为两种1 2 1 j ：第一类早期损坏和第二类早期损坏，各 种早期损坏现象如表2 1 所示。 第一类早期损坏：往往发生在通车后不久，有的是当年，有的在l 3 年内 发生，第一类早期损坏是局部性的，只在某些部位产生坑槽，有些段落产生严 重的车辙。但是许多路段并没有发生损坏和车辙，局部性损坏的原因往往施工 因素所占的比例较高，其中一个重要的因素就是沥青混合料的离析和不均匀。 第二类早期损坏：从更深层次上说，我国铺筑的近3 万公罩高速公路，除 了极少数工程使用1 0 余年后仍需通过表面处理就可以恢复路面的使用性能外， 基本上都达不到设计年限就需要“大修”，从这个意义上讲，也可以说是普遍发 生了早期损坏。最近几年来许多达不到设计年限的公路沥青路面丌始大修，翻 新或者重建也属于早期损坏，而且是更为严重的早期损坏，第二类早期损坏是 全局性的，有些原因是共同的，沥青路面的耐久性差和使用寿命短已经开始波 及许多高速公路、一级公路等高等级公路，大体上不到1 0 年便进入大修期。第 第二章考虑不同界面接触条件的沥青道路路基路面麻力分析 二类早期损坏是更深层次上的早期损坏，在我国，第二类早期损坏有一定的共 性。 表2 1 沥青路面早期损坏现象【1 2 1 损坏现象 度量单位损坏现象度量单位 a 裂缝 2 车辙 m m 1 纵向裂缝 m 3 推挤数量、m 2 2 横向裂缝条、m c 表面损坏 3 反射裂缝1 泛油 旷 横向反射裂缝 条、i n 2 磨光 m 。 纵向反射裂缝i n d 水损坏 4 网裂f 1 松散 b 变形2 坑洞个、m 2 1 沉陷 m 2 3 唧浆 个、秆 2 2 1 沥青道路路面早期损坏现象之一一水损坏 我国很多高速公路，尤其是多雨潮湿地区的高速公路在春融季节、梅阿季 节及雨季，路面会出现麻面、松散、掉粒、乃至坑槽等水损坏现象，水损坏已 经成为我国公路沥青路面早期损坏的一种主要模式i 驯。 水损坏现象分三种：表面层产生坑槽；表面层和中面层同时产生坑槽以及 局部表面产生网裂和形变；唧浆、网裂和坑洞。 表面层产生坑槽的形成条件是降水能够渗入表面层，但继续下渗比较困难， 同时表面有大的孔隙。在大量高速行车的作用下，反复产生的动水压力逐渐使 沥青从集料表面剥离，局部沥青混凝土变成松散，碎石被车轮甩出，路面产生 坑槽。 表面层和中面层同时产生坑槽以及局部表面产生网裂和形变形成原因和表 面层产生坑槽原因相似，当表面层和中面层都是空气率较大的半丌级配沥青混 凝土，而底面层为空气率较小的密实沥青混凝土时，降水较易渗入并滞留在表 面层和中面层内；即使中面层为密实沥青混凝土，表面层中的渗透水长时问内 也会从中面层的薄弱处进入中面层。大量高速行车使这两层内沥青混凝土中部 分碎石上的沥青脱剥落，导致表面产生网裂、形变和外侧推挤，或产生坑槽。 当水进一步渗透进入半刚性基层顶部，由于半刚性基层本身强度很高，细 料含量又多，本身非常致密，它基本上是一种不透水或者渗水性很差的材料， 第二章考虑不同界面接触条件的沥青道路路基路面应力分析 水滞留在沥青层和基层的界面上，在大量高速行车的作用下，自由水产生很大 的压力并冲刷基层混合科表面的细料，形成灰白色浆。灰浆又被行车压唧，通 过各种形状不一和宽窄不一的裂缝到路面，形成唧浆。同时，沥青层和基层的 界面条件发生变化，可能很快转化为滑动的界面条件。沥青层底部承受很大的 拉应力很容易产生疲劳破坏，产生表面网裂；唧浆和网裂进一步发展，形成坑 槽。 造成沥青路面早期水损坏的原因非常复杂，应该从材料、设计、施工、养 护及其他各个方面进行分析，采取措施。而重点是解决混合料空气率过大，路 面渗水，排水设施不完善，压实度不足，沥青混合料抗水损坏能力不足，厚度 偏薄等问题，并致力于从路面结构形式去解决。 2 2 2 沥青道路路面早期损坏现象之变形 沥青路面的变形也是一种主要的早期损坏，沉陷、车辙和推挤所导致的路 面变形极大的降低了路面平整度和道路服务水平，严重的病害甚至还会影响行 车安全。 沉陷是指路面的局部凹陷。由于地基未充分固结造成的继续沉降或地基压 实不足造成的不均匀沉降往往引起路面的大面积沉陷，这种沉陷的发生都伴有 贯穿整个路面的结构性破坏，所以修补过后还会继续发展，造成补丁破坏。 在交叉路口、匝道进出口等处，因车速变化频繁，经常刹车与启动，致使 路面承受很大的水平剪力。当沥青混合料高温稳定性较差时，就会在高温和水 平剪力作用下产生波浪型的推挤变形。 我国二级公路以下没有实行渠化交通的沥青道路路面，基本上没有明显的 车辙，只有在平交路口或汽车站汽车经常制动、起动、停车的部位有局部的推 挤现象。这是沥青面层的流动变形，但高速公路和一级公路，车辆实行严格渠 化交通以后，车辙问题逐渐成为主要的病害。 沥青路面车辙产生的机理见图2 2 。 第二章考虑不同界面接触条件的沥青道路路基路面应力分析 图2 2 沥青路面车辙产生的机理口1 i 沥青道路路面车辙分两类： ( 1 ) 由于荷载作用超过路面各层的强度，发生在沥青面层以下包括路基在 内的各结构层的永久变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有 隆起现象，横断面呈v 字形，如图2 2 中左图所示。 ( 2 ) 沥青混凝土的侧向流动变形，在高温条件下，车轮碾压的反复作用， 荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限，使流动变形不断累积形成车辙，叫做 沥青混合料的流动性车辙，如图2 2 中右图所示。 美国a a s h t o ( 2 0 0 2 ) 道路设计指南中，把沥青路面的车辙归结为三个因 素组成，即沥青层、基层和地基变形的叠加。 p d - “一p d a c + p d g b + p d 2 、1 2 2 3 沥青道路路面早期损坏现象之裂缝 裂缝是沥青路面早期损坏的一种常见病害。按照裂缝成因，可分为纵向裂 缝、横向裂缝和网状裂缝。 纵向裂缝的方向基本上平行于道路中心线，一般发生在距离路边缘3 5 m 的车道内。纵向裂缝有两种形状：一种是直线形，另一种是纵向弧形且两端向 路堤边缘延伸，地基的不均匀沉降和过大荷载是形成纵向裂缝的主要原因。 很多路面纵向裂缝和着网裂同时发生，分为两种情况：自上而下的表面裂 缝和自下而上的沥青底层疲劳裂缝。 自上而下的表面裂缝在我国很多情况下是由于沥青上面层和中面层或者中 面层与下面层之问存在层间污染情况，导致上面层或中面层底部承受过大的拉 应力而破坏，仅限于表面层或者表面层和中面层。 自下而上的沥青底层疲劳裂缝是我国使用半刚性基层的必然结果，对此姚 1 4 第二章考虑不同界面接触条件的渤青道路路基路面应力分析 祖康教授有专门论述【2 l 】：沥青面层和基层之间有可能出现不连续的状况( 实际 情况往往介于连续和滑动两者之间) 。当接触条件由连续变为滑动时，半刚性基 层上的沥青面层底面便会出现拉应力或拉应力增长。从应力的角度来说，出现 拉应力当然会对沥青面的寿命产生不利影响。但路面结构的疲劳寿命不单纯取 决于沥青面层的应力大小，还取决于沥青面层的疲劳特性和疲劳损耗率，以及 半刚性基层的底面拉应力大小，其疲劳特性和疲劳损耗率。按规范所列的疲劳 分析方法和强度参考值，沥青面层的劈裂强度变动于0 6 1 6 m p a 范围内，水 泥稳定粒料的劈裂强度变动于0 4 0 6 m p a 范围内，二灰稳定粒料的劈裂强度 变动于0 5 0 8 m p a 范围内。沥青面层的劈裂强度略大于半刚性材料。这时， 沥青面层底面尽管出现了拉应力，由于其应力强度比所相应的疲劳损耗有可能 低于半刚性基层，其