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高温多雨地区沥青路面病害环境与多场耦合效应研究

作　者: 罗苏平
导　师: 李亮
学　校: 中南大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 高温多雨沥青路面病害交通条件气候分区高温稳定性水稳定性路面温度预估模型多场耦合分析
分类号: U416.217
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

高温多雨是海南典型的气候特征,也是路面病害形成的环境,其中高温和轴载是导致路面车辙的重要因素,路面渗入水、沥青路面结构层和交通荷载的动力耦合作用是导致路面水损害的重要原因。由于海南处于独特的热带环境,沥青的选用、混合料设计和路面结构组合设计都与海南省气候息息相关,因此,合理的气候分区对海南省沥青路面的合理设计至关重要。本文通过系统的调查研究、试验研究、以及理论推导和数值计算,获得如下成果：(1)对海南省各级公路主干道的路面病害情况以及交通状况进行了调研与分析包括沥青路面使用现状,交通量及其组成、轴载及超载情况,综合分析和总结了海南省沥青路面病害的原因。(2)基于海南18个典型地区的气候条件资料,采用ArcGIS软件,综合运用多种分区方法,对海南省的高温、低温、降雨量及潮湿系数进行分区,并对这些因素进行指标体系范围和名称的确定,根据制定的指标体系,对整个海南省地区进行了气候区域划分,并将海南省划分为8个不同气候特征的气候区域,供路面设计参考。(3)通过现场试验采集试验路现场的太阳辐射、大气温度、风速和路面结构层内不同深度的路面温度,获得海南省公路沥青路面温度场及其主要影响因素的试验数据,基于现场试验结果结合传热学理论建立了路面温度场关于太阳辐射、气温和风速的理论-经验预估模型,提出了海南省沥青路面温度场的预估方法,并针对海南地区提出了模型参数的建议取值。(4)针对车辙产生的外部条件,利用大型有限元软件ABAQUS分析海南省自然环境与交通状况下车辙形成的特点,并通过与其它地区的对比,分析海南省自然环境与交通特点对海南省沥青路面车辙病害的影响,为总结海南省沥青路面车辙病害的原因提供依据。(5)参照目前国内外常用的模拟水环境条件的试验方法,即模拟高温浸泡和冻融循环两种水作用环境,研究无水条件、高温浸水和冻融循环后的沥青混合料常规力学性能和高温稳定性的变化规律及其影响因素,探讨沥青混合料级配和空隙率对沥青混合料水稳定性的影响机制。(6)基于Biot固结理论建立在移动交通荷载作用下“上面层-下面层-基层-路基”动力响应分析模型,采用Fourier级数和Fourier变换方法求解模型,获得面层中渗流场和应力场的解析解。基于解析结果,分析上下面层不同的破坏机理,从水损害的角度阐述超载对路面病害的影响。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
第一章绪论  13-21
  1.1 本文研究的意义与目的  13-14
  1.2 国内外研究概况  14-17
    1.2.1 沥青混合料水稳定性研究现状  14-15
    1.2.2 沥青路面多场耦合分析的研究现状  15-16
    1.2.3 沥青路面车辙研究现状  16-17
  1.3 本文的研究内容  17-18
    1.3.1 海南省沥青路面病害与交通状况调查研究  17
    1.3.2 海南气候调研与气候分区研究  17-18
    1.3.3 沥青路面温度分布规律试验与温度预估模型研究  18
    1.3.4 高温环境下海南省沥青路面车辙对比分析研究  18
    1.3.5 多雨环境下海南省沥青路面水稳定性试验研究  18
    1.3.6 基于多场耦合效应的沥青路面水损害机理分析  18
  1.4 研究方法及技术路线  18-21
第二章海南省沥青路面病害与交通状况调查研究  21-53
  2.1 前言  21
  2.2 海南省干线公路沥青路面病害与使用状况调查分析  21-33
    2.2.1 海南干线公路沥青路面使用现状调查  21-31
    2.2.2 海南公路沥青路面养护现状  31-33
  2.3 海南省干线公路交通量和轴载调研分析  33-43
    2.3.1 海南省干线公路交通量的变化情况分析  33-37
    2.3.2 超载情况下轴载调研分析  37-43
  2.4 沥青路面病害原因分析  43-52
    2.4.1 海南公路沥青路面车辙形成主要原因  43-47
    2.4.2 海南公路沥青路面水损坏形成主要原因  47-52
  2.5 本章小结  52-53
第三章海南气候调研与气候分区  53-72
  3.1 前言  53
  3.2 海南省的气候调查研究  53-62
  3.3 海南省公路气候要素插值模型  62-63
    3.3.1 利用ArcGIS建立气候数据库  62-63
    3.3.2 建立栅格数据模型  63
  3.4 海南省气候要素插值方法  63
  3.5 海南省气候子因素插值分析  63-68
    3.5.1 气温插值  63-67
    3.5.2 降雨量插值  67-68
    3.5.3 湿热系数插值  68
  3.6 海南省路用性能温度与降雨分区  68-71
    3.6.1 海南省气候分区原则  68-69
    3.6.2 海南省气候分区指标体系  69
    3.6.3 海南省气候分区命名及区划图  69-71
  3.7 本章小结  71-72
第四章沥青路面温度分布规律试验与温度预估模型  72-93
  4.1 前言  72-73
  4.2 路面温度场现场试验研究  73-79
    4.2.1 温度传感器的埋设  73-75
    4.2.2 太阳辐射、气温、风速与路面温度的数据采集  75-79
  4.3 沥青路面温度场分布的理论-经验预估模型  79-92
    4.3.1 路面温度场影响因素分析  79
    4.3.2 路面温度场现场试验研究  79
    4.3.3 路表温度预估模型的建立  79-83
    4.3.4 路面结构内部温度分布规律与预估模型的建立  83
    4.3.5 预估模型参数的确定方法  83-85
    4.3.6 预估模型效果评价与分析  85-92
  4.4 本章小结  92-93
第五章高温环境下海南省沥青路面车辙数值对比分析  93-101
  5.1 前言  93-94
  5.2 海南公路路面自然环境与交通状况特征  94
  5.3 车辙分析模型建立  94-97
    5.3.1 路面结构的选择和路面材料的力学参数  94-95
    5.3.2 车辙分析的交通荷载条件  95-96
    5.3.3 车辙分析的路面温度条件  96
    5.3.4 车辙分析模型网格划分  96-97
  5.4 路面车辙对比分析  97-99
  5.5 本章小结  99-101
第六章多雨环境下海南省沥青路面水稳定性分析  101-113
  6.1 前言  101
  6.2 沥青混合料配合比设计  101-104
    6.2.1 原材料技术性能指标  101-102
    6.2.2 AC-13级配设计  102-103
    6.2.3 最佳沥青用量确定  103-104
  6.3 水对沥青混合料常规力学性能的影响  104-107
    6.3.1 劈裂强度和破坏劲度模量  104-105
    6.3.2 抗压强度和回弹模量  105-106
    6.3.3 综合分析  106-107
  6.4 水对沥青混合料高温性能的影响  107-112
    6.4.1 沥青混合料高温稳定性评价的试验方法  107
    6.4.2 试验方案  107-108
    6.4.3 试验数据汇总及分析  108-112
  6.5 本章小结  112-113
第七章基于多场耦合效应的沥青路面水损害机理分析  113-140
  7.1 前言  113
  7.2 路面多场耦合分析模型的建立  113-120
    7.2.1 有效应力原理  113-114
    7.2.2 质量守恒定律  114-116
    7.2.3 Darcy定律  116
    7.2.4 动量守恒  116-117
    7.2.5 本构方程  117-118
    7.2.6 沥青路面水-力耦合模型建立  118-120
  7.3 模型求解  120-128
    7.3.1 移动交通荷载表达式  120
    7.3.2 控制方程的通解形式  120-125
    7.3.3 边界条件  125-128
    7.3.4 物理场数学表达式  128
  7.4 数值计算和分析  128-138
    7.4.1 模型验证和计算参数取值  128-129
    7.4.2 路面物理场分布情况  129-132
    7.4.3 超载对路面物理场的影响  132-138
  7.5 本章小结  138-140
第八章结论与展望  140-144
  8.1 全文总结  140-142
  8.2 本文的创新点  142-143
  8.3 进一步研究建议  143-144
参考文献  144-154
致谢  154-155
博士期间的主要科研成果  155-156
  1.1 博士期间发表的学术论文  155-156
  1.2 博士期间主持和参与的科研项目  156

高温多雨地区沥青路面病害环境与多场耦合效应研究

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