[01282117]沥青路面荷载效应分析与抗疲劳设计关键技术研究

我国在高等级道路沥青路面的建设实践中,积累了丰富的经验,解决了许多关键技术问题,但沥青路面的强度理论与破坏准则这一基本问题尚未得到有效解决,强度试验方法与取值存在一定的人为性,设计规范在应用疲劳损伤模型和疲劳方程进行疲劳设计参数确定时还存在一定的不足,这些问题已显著影响了沥青路面设计的科学、准确性。 交通荷载作用下沥青路面内部处于复杂的三维应力状态,基于第一强度理论的层底拉应力指标表征的是材料或结构在一维应力状态下的破坏特征,因此沥青路面结构的层底拉应力强度设计指标与其所处的应力状态相互矛盾;基于Miner线性疲劳损伤理论的沥青路面轴载换算方法无法考虑加载历史与损伤演化历史引起的非线性效应,因无法考虑超载重载车辆引起的加速破坏作用,导致荷载效应分析产生较大的偏差;基于传统S-N疲劳方程的沥青路面抗拉强度结构系数是通过人为延拓疲劳曲线而得到的,而传统疲劳方程不具有延拓性,人为延拓导致沥青路面设计的疲劳抗力模型存在不科学性。 沥青混合料疲劳及损伤特性是沥青路面设计的理论基础,对于沥青路面的使用性能和使用寿命有极其重要的影响。目前,沥青混合料的疲劳损伤理论虽然经历了多年的研究,亦取得了大量的研究成果,但还有许多问题有待更深入研究。因此,本项目的研究目的是在国内外相关领域已有研究成果的基础上,针对存在的主要问题开展系统研究,基于非线性疲劳损伤理论,通过沥青混合料疲劳试验及非线性损伤特性的研究,建立以非线性损伤演化规律为基础的能考虑加载历史和损伤历史影响的沥青路面轴载换算新方法,新方法将显著提高轴载换算的准确性与路面设计精度。 通过分析不同加载速度对沥青混合料强度的影响,建立采用与疲劳试验加载速度相应的真实应力比表征的疲劳方程,提出基于真实应力比疲劳方程的沥青路面抗拉强度结构系数计算新方法。项目相关研究成果将为完善现行沥青路面设计规范提供理论依据,对发展耐久性路面、提高我国路面使用寿命、有效降低全寿命周期成本有重要的意义与工程价值。 项目针对上述沥青路面设计中存在的关键问题,通过室内试验、现场测试与理论分析,取得的主要成果如下：揭示了沥青混合料强度随加载速度及其所处应力状态的非线性特性,建立了沥青混合料三维应力状态下的强度理论与破坏准则,解决了沥青混合料强度的不确定性问题;揭示了沥青混合料非线性疲劳损伤演化特性,构建了基于剩余强度与刚度衰变的沥青混合料非线性疲劳损伤模型,提出了能考虑加载历史与损伤历史影响的基于非线性疲劳损伤的沥青路面轴载换算新方法,解决了传统方法对荷载效应估计不足的问题;提出了真实应力比的新概念,建立了基于真实应力比的沥青混合料疲劳方程,揭示了疲劳破坏与强度破坏的内在联系,创建了基于真实应力比疲劳方程的沥青路面抗拉强度结构系数计算新方法,解决了沥青路面抗拉强度结构系数确定的人为随意性问题。 通过本项目的研究,培养了5名研究生,其中博士2名、硕士3名,公开发表学术论文10篇,其中SCI收录2篇,EI收录4篇,申请国家发明专利2项。 研究成果在一定程度上弥补了我国现行沥青路面设计规范在疲劳特性应用方面的不足,显著提高了沥青路面设计的精度与准确性,对延长我国沥青路面使用寿命、节约全寿命周期成本、提高建设质量和服务水平、促进社会与经济的可持续健康发展、加快“智慧交通”建设具有重要的理论意义,该项目的研究成果在沥青路面建设中的应用将产生显著的社会、经济效益。 本项目是在国内外相关领域已有研究成果的基础上,针对沥青路面荷载效应和抗疲劳设计中存在的主要问题开展研究,得到了一些有意义的研究成果,但影响沥青混合料的因素多而复杂,本项目做的工作仍很有限,为了进一步完善沥青混合料荷载效应分析和抗疲劳设计,还需从以下几个方面进一步深入探讨： （1）单轴直接拉伸疲劳加载方式受力形式简单,难以模拟路面的复杂应力状态,需要进一步研究复杂应力状态下沥青混合料的非线性疲劳损伤特性。 （2）本项目从宏观角度分析了沥青混合料的非线性疲劳损伤特性,尚缺少疲劳损伤特性的细观分析,强度和刚度衰变的细观机理还有待进一步研究。 （3）本项目的未考虑老化的影响,沥青路面的疲劳与老化是耦合的,老化对沥青路面疲劳耐久性的影响还有待进一步深入研究。