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沥青路面强度理论与结构失效特征

杨建军 黄旺 吕松涛 钱国平 郑健龙

杨建军, 黄旺, 吕松涛, 钱国平, 郑健龙. 沥青路面强度理论与结构失效特征[J]. 交通运输工程学报, 2024, 24(5): 131-143. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.05.009
引用本文: 杨建军, 黄旺, 吕松涛, 钱国平, 郑健龙. 沥青路面强度理论与结构失效特征[J]. 交通运输工程学报, 2024, 24(5): 131-143. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.05.009
YANG Jian-jun, HUANG Wang, LYU Song-tao, QIAN Guo-ping, ZHENG Jian-long. Strength theories and structure-failure characteristics of asphalt pavements[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2024, 24(5): 131-143. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.05.009
Citation: YANG Jian-jun, HUANG Wang, LYU Song-tao, QIAN Guo-ping, ZHENG Jian-long. Strength theories and structure-failure characteristics of asphalt pavements[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2024, 24(5): 131-143. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.05.009

沥青路面强度理论与结构失效特征

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.05.009
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51478053

国家自然科学基金项目 52078062

详细信息
    作者简介:

    杨建军(1975-),男,山西忻州人,长沙理工大学副教授,工学博士,从事道路工程研究

    通讯作者:

    郑健龙(1954-),男,湖南邵阳人,中国工程院院士,长沙理工大学教授,工学博士

  • 中图分类号: U416.2

Strength theories and structure-failure characteristics of asphalt pavements

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51478053

National Natural Science Foundation of China 52078062

More Information
    Author Bio:

    YANG Jian-jun(1975-), male, associate professor, PhD, yang@csust.edu.cn

    Corresponding author: ZHENG Jian-long(1954-), academician of Chinese Academy of Engineering, professor, PhD, zjl@csust.edu.cn
  • 摘要: 为评估和校核沥青路面在复杂应力状态下的失效模式和失效特征,采用经典五大强度理论和统一强度理论分析了等效应力在路面结构内的分布特性,考虑半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面和倒装式沥青路面这3种典型路面结构方案,通过数值计算解析了各种强度理论所表征的路面结构失效形态。研究结果表明:各种强度理论表征的某种特定路面的结构失效模式和失效层位不同,对于半刚性基层沥青路面,第一、第二和莫尔强度理论主要表征基层底部的弯拉失效,第三、第四强度理论主要表征沥青面层的剪切屈服失效,而统一强度理论主要表征面层和基层的拉、剪组合开裂失效,最大等效应力出现在沥青面层内,可达到0.8 MPa;特定的强度理论在不同路面结构中可能表征为差异性的失效模式,第四强度理论在半刚性基层沥青路面中主要表征沥青面层的剪切屈服失效,而在柔性基层沥青路面中主要表征沥青面层的剪切开裂失效;第四强度理论和统一强度理论所提示的路面结构破坏特征更为合理,反映的路面结构失效信息也更为丰富,这2种强度理论的结合应用可以表征基层、面层开裂和面层车辙等常见病害,从而全面控制路面结构载荷型疲劳破坏;统一强度理论揭示了面层优先发生开裂破坏的力学机理,为实际工程中常见的路面自上而下开裂、纵向开裂等病害提供了新的理论解释机制,并为独立控制面层开裂失效提供了一个可供选择的强度校核指标。

     

  • 图  1  双剪单元体及其应力分量

    Figure  1.  Double shear element and its stress components

    图  2  路面结构模型

    Figure  2.  Pavement structure model

    图  3  半刚性基层沥青路面的单向最大拉应力与第一强度等效应力分布特征比较

    Figure  3.  Comparison of distribution characteristics between unidirectional maximum tensile stress and first strength theory equivalent stress for semi-rigid base asphalt pavement

    图  4  半刚性基层沥青路面的第二强度理论和莫尔强度理论等效应力分布特征比较

    Figure  4.  Comparison of equivalent stress distribution characteristics between second strength theory and Mohr's strength theory for semi-rigid base asphalt pavement

    图  5  半刚性基层沥青路面的第三、第四强度理论等效应力和竖向压应力分布特征比较

    Figure  5.  Comparison of distribution characteristics between equivalent stresses of third and fourth strength theories and vertical compressive stress for semi-rigid base asphalt pavement

    图  6  半刚性基层沥青路面统一强度理论等效应力分布

    Figure  6.  Equivalent stress distribution of unified strength theory for semi-rigid base asphalt pavement

    图  7  柔性基层沥青路面的单向最大拉应变与第一强度等效应力分布特征

    Figure  7.  Distribution characteristics of unidirectional maximum tensile strain and first strength theory equivalent stress for flexible base asphalt pavement

    图  8  柔性基层沥青路面竖向压应力与压应变的分布特征

    Figure  8.  Distribution characteristics of vertical compressive stress and strain for flexible base asphalt pavement

    图  9  柔性基层沥青路面的第二强度理论与莫尔强度理论等效应力分布特征比较

    Figure  9.  Comparison of equivalent stress distribution characteristics between second strength theory and Mohr's strength theory for flexible base asphalt pavement

    图  10  柔性基层沥青路面的第三、第四强度理论等效应力分布特征比较

    Figure  10.  Comparison of equivalent stress distribution characteristics of third and fourth strength theories for flexible base asphalt pavement

    图  11  柔性基层沥青路面的统一强度理论等效应力分布

    Figure  11.  Equivalent stress distribution of unified strength theory for flexible base asphalt pavement

    图  12  倒装式沥青路面的强度理论等效应力分布特征

    Figure  12.  Equivalent stress distribution characteristics of strength theories for inverted asphalt pavement

    表  1  半刚性基层沥青路面结构组合方案和材料刚度参数

    Table  1.   Structure combination schemes and material stiffness parameters for semi-rigid base asphalt pavement

    结构层 材料 厚度/mm 抗压模量/MPa 抗拉模量/MPa 抗压泊松比 抗拉泊松比
    面层/表面层 SMA13 40 11 000 5 500 0.25 0.125
    面层/中面层 改性AC20 60 8 000 4 000 0.25 0.125
    面层/下面层 AC25 100 9 000 4 000 0.25 0.111
    半刚性基层 水泥稳定碎石 450 20 000 11 000 0.25 0.137
    底基层 级配砂砾 200 160 0.35
    土基 黏质土 65 0.40
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    表  2  沥青路面材料强度参数

    Table  2.   Material strength parameters of asphalt pavement

    材料类型 抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 剪切强度/MPa
    SMA13 1.953 9.226 0.543
    改性AC20 1.622 7.423 0.438
    AC25 1.753 8.864 0.496
    ATB25 1.826 9.148 0.542
    水泥稳定碎石 1.522 5.345 0.316
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    表  3  几种强度理论和失效准则对半刚性基层沥青路面结构失效现象的解释

    Table  3.   Explanations for failure phenomena of semi-rigid base asphalt pavement structure by several strength theories and failure criteria

    强度理论/失效准则 基层底部应力水平参数 路面结构内的破坏源和破坏特征
    主要破坏特征 次要破坏特征
    *最大拉应力准则 1.000 基层底部弯拉开裂
    *最大压应力准则 不能合理描述面层的车辙失效
    第一强度理论 1.000 基层底部弯拉开裂
    第二强度理论 0.774 基层底部弯拉开裂
    第三强度理论 1.042 面层车辙(中、下面层剪切屈服) 基层底部弯拉开裂
    第四强度理论 1.005 面层车辙(中、下面层剪切屈服) 基层底部弯拉开裂
    莫尔强度理论 1.009 基层底部弯拉开裂
    统一强度理论 3.184 面层内部拉、剪组合开裂 基层上部和底部拉、剪组合开裂
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    表  4  柔性基层沥青路面结构组合方案和材料刚度参数

    Table  4.   Structure combination schemes and material stiffness parameters for flexible base asphalt pavement

    结构层 材料 厚度/mm 抗压模量/MPa 抗拉模量/MPa 抗压泊松比 抗拉泊松比
    面层/上面层 SMA13 40 11 000 5 500 0.25 0.125
    面层/下面层 改性AC20 100 8 000 4 000 0.25 0.125
    沥青结合料基层 ATB25 250 10 000 5 000 0.25 0.125
    底基层 级配砂砾 380 160 0.35
    土基 黏质土 65 0.40
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    表  5  几种强度理论和失效准则对柔性基层沥青路面结构失效现象的解释

    Table  5.   Explanations for failure phenomenon of flexible base asphalt pavement structure by several strength theories and failure criteria

    强度理论/失效准则 基层底部应力水平参数 路面结构内的破坏源及破坏特征
    主要破坏特征 次要破坏特征
    *最大拉应变准则 基层底部弯拉失效
    *最大压应力准则 不能合理描述车辙失效
    *最大压应变准则 土基变形 粒料底基层变形
    第一强度理论 1.000 基层底部弯拉开裂
    第二强度理论 0.805 基层底部弯拉开裂 面层剪切开裂(迹象)
    第三强度理论 1.055 面层贯穿至基层顶部的开裂 基层底部弯拉开裂
    第四强度理论 0.981 面层贯穿至基层顶部的开裂 基层底部弯拉开裂
    莫尔强度理论 1.009 基层底部弯拉开裂
    统一强度理论 2.895 面层至基层的拉、剪组合开裂 基层底部拉、剪组合开裂
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    表  6  倒装式沥青路面结构组合方案及材料刚度参数

    Table  6.   Structure combination schemes and material stiffness parameters for inverted asphalt pavement

    结构层 材料 厚度/mm 抗压模量/MPa 抗拉模量/MPa 抗压泊松比 抗拉泊松比
    面层/上面层 SMA13 40 11 000 5 500 0.25 0.125
    面层/下面层 改性AC20 80 8 000 4 000 0.25 0.125
    沥青结合料基层 ATB25 160 10 000 5 000 0.25 0.125
    半刚性底基层 水泥稳定碎石 450 20 000 11 000 0.25 0.137
    土基 黏质土 65 0.40
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    表  7  几种强度理论和失效准则对倒装式沥青路面结构失效现象的解释

    Table  7.   Explanations for failure phenomena of inverted asphalt pavement structure by several strength theories and failure criteria

    强度理论/失效准则 底基层底部应力水平参数 路面结构内的破坏源及破坏特征
    主要破坏特征 次要破坏特征
    *最大拉应力准则 1.000 半刚性底基层底部弯拉失效
    第一强度理论 1.000 半刚性底基层底部弯拉失效
    第二强度理论 0.772 半刚性底基层底部弯拉失效 面层剪切开裂
    第三强度理论 1.040 面层车辙失效 半刚性底基层底部弯拉失效
    第四强度理论 1.015 面层车辙失效 半刚性底基层底部弯拉失效
    莫尔强度理论 1.011 半刚性底基层底部弯拉失效
    统一强度理论 3.143 面层拉、剪组合失效 半刚性底基层顶部和底部失效
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-20
  • 网络出版日期:  2024-12-20
  • 刊出日期:  2024-10-25

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