水泥混凝土路面极限承载力研究
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ＶＵ
硕士学位论文
图４．１０混凝土板最大弯拉应力．．
图４．１ｌ混凝土板综合应力……．．
图４．１２混凝土板最大竖向位移，，
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水泥混凝士路面极限承载力研究
附表索引
表２．１ 永连公路车辆流量统计表……………………………………………．．
表２．２ 永连公路超限车辆单轴轴载统计表…………………………………．
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Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ；Ｈｅａｖｙ—ｌｏａｄ；Ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ；
Ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ；Ｃａｖｉｔｙ ｂｅｎｅａｔｈ ｒｏａｄ ｓｌａｂｓ
水泥混凝士路面极限承载力研究
插图索引
图１．１ 水泥混凝土路面典型损坏类型………………………………………………．．１ 图２．１ 永连公路调查路段超限车辆单轴轴载分布…………………………………１２ 图２．２永连公路调查路段超限车辆双轴轴载分布…………………………………１２ 图２．３轮胎接地面积的测量…………………………………………………………ｌ ３ 图２．４轮胎接地形状印痕……………………………………………………………１４ 图２．５双层弹性地基体系参数取值…………………………………………………１７ 图２．６弯沉等效示意图………………………………………………………………１７ 图２．７规范公式与式（２．９）、 （２．１ １）关于ｎ的计算结果对比………………１９ 图２．８ 刚性路面板承载示意图………………………………………………………２１ 图２．９车辆荷载作用图式……………………………………………………………２４ 图２．１０车辆荷载位置图………………………………………………………………２４ 图２，１１轮胎接地压力与轴载的关系…………………………………………………２５ 图２．１２ ＰＣＡＤ计算程序有限元分析网格划分示意图………………………………２７ 图２．１３水泥混凝土路面荷载应力和综合应力………………………………………２９ 图２．１４混凝土弯拉强度对极限承载力的影响………………………………………３１ 图２．１ ５混凝土板厚对极限承载力的影响…………………，．………………………，３１ 图２．１６基层顶面当量回弹模量对极限承载力的影响………………………………３１ 图２．１７温度梯度对极限承载力的影响………………………………………………３２ 图３．１ 晴天水泥混凝土面层的温度日变化曲线……………………………………３８ 图３．２晴天水泥混凝土面层的温度梯度日变化曲线………………………………３８ 图３．３温度梯度频率曲线……………………………………………………………４３ 图３．４典型重载混凝土路面结构……………………………………………………４７ 图３．５混凝土路面设计流程图………………………………………………………４９ 图４．１ 板底脱空引起的横向开裂……………………………………………………５３ 图４．２混凝土路面结构有限元分析模型……………………………………………５５ 图４．３ ２０节点六面体等参单元……………………………………………………５６ 图４，４三维路面结构网格划分示意图………………………………………………６ｌ 图４．５车辆荷载位置图………………………………………………………………６２ 图４．６混凝土板纵向应力云图（纵缝边缘中部，Ｐ＝２００ｋＮ）……………………６３ 图４．７ 路面结构模型竖向位移云图（纵缝边缘中部，Ｐ＝２００ｋＮ）………………６４ 图４，８混凝土板主应力ｓｌ云图（板角，Ｐ＝３００ｋＮ）……………………………６４ 图４．９混凝土板竖向位移云图（板角，Ｐ＝３００ｋＮ）………………………………６４
ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｔｕａｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｌｏａｄｉｎｇ， ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｌｓｏ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｅｘ ｌｏａｄ．Ａｇａｉｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ；ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｉｍｉｔｓ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｌｓｏ Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｂｅｎｅａｔｈ ｒｏａｄ ｓｌａｂｓ，３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｐａｖｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｆｅ ｏｆ
湖南大学 硕士学位论文 水泥混凝土路面极限承载力研究 姓名：孔铭 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：黄立葵
20060522
硕士学位论文
摘要
近年来，我国公路交通运输不断发展，公路超载运输现象也日益普遍和严重。 水泥混凝土路面作为高等级公路的主要形式之一，很多在使用初期就发生了严重 的结构损坏，路面的使用寿命大大缩短，严重影响了公路的通行能力、行车安全 和投资效益。当路面板荷载应力与温度应力的组合处于不利状态时，过大轴载的 一次作用就可能造成路面结构的破坏，路面结构的抗疲劳性则无从谈起。世界各 国水泥混凝土路面结构设计方法中尚未引入极限承载力的分析方法。因此，根据 公路实际的交通组成和温度状况，研究水泥混凝土路面结构极限状态的分析和设 计方法成为迫切需要解决的问题。
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｒａｆｆｉｃ ｓｕｒｖｅｙｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｈｅａｖｙ—ｌｏａｄ ｒｏａｄ ｗｅｒｅ
ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ；Ａｌｓｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｒａｆｆｉｃ，ｌｏａｄ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈｗａｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ
表２．３ 永连公路超限车辆双轴轴载统计表…………………………………．
表２．４ 车辆参数汇总表………………………………………………………．
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表２．５ 不同路面结构当量回弹模量换算结果比较…………………………．
表２．６ 不同计算方法下双层结构基层顶面当量回弹模量值比较…………．
表２．７ 路面结构与材料性质…………………………………………………．
关键词：水泥混凝土路面；重荷载；极限承载力；设计方法：板底脱空
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奎鎏堡墼圭塑耍墼堡童墼童墼圣
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ，ｒｏａｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ ｂｅｃｏｍｅｓ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ．Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ，ｍａｎｙ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｏｆ ｌｉｆｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｌｉｆｅ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ；ａｌｓｏ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｒａｆｆｉｃ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｒｅｔｕｒｎｓ ａｒｅ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｒｏａｄ ｓｌａｂｓ ｃｏｍｂｉｎｅ ｉｎ ａ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｄ ｓｔａｔｅ，ｐａｖｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｍａｙ ｂｅ ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｄ ｗｈｅｎ ａ ｌａｒｇｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｎｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｏｆ ｐａｖｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｅｃｏｍｅｓ ｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔａｔｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｔｕａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏａｄ ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．
ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｅａｒｌｙ ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｓ ｗｅｒｅ
ｒｅｖｅａｌｅｄ；Ａｌｓｏ，ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ，ａｎｄ ａ ｇｒｅａｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｄａｔａ，ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ
本文首先从典型重载交通道路的交通调查与分析入手，研究了重荷载交通道 路的交通量、轴载分布及荷载特征，针对现行设计规范中关于基层顶面当量回弹 模量值计算公式存在的不足，利用弹性层状体系理论，按照弯沉等效原则，通过 大量的计算分析，回归出了精度较高、适用范围更广的基层顶面当量回弹模量计 算公式。其次，根据实测荷载作用面积和计算轮胎接地压力，计算了重荷载作用 下水泥混凝土路面结构的力学响应，提出了分析混凝土路面极限承载力的方法， 并分析的概率特征，提出了考虑极限承载力的混凝土路面设计方法，并拟 定了满足各级极限轴载的典型混凝土路面结构形式。最后，针对混凝土路面板板 底脱空现象，对路面结构建立三维有限元模型，通过大量的有限元计算，分析了 板底脱空对路面板承载力及使用寿命的影响，揭示了路面发生早期损坏的根本原 因，并从路面材料和结构设计方面探讨了防止路面板脱空的措施和方法。
硕士学位论文
图４．１０混凝土板最大弯拉应力．．
图４．１ｌ混凝土板综合应力……．．
图４．１２混凝土板最大竖向位移，，
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水泥混凝士路面极限承载力研究
附表索引
表２．１ 永连公路车辆流量统计表……………………………………………．．
表２．２ 永连公路超限车辆单轴轴载统计表…………………………………．
１Ｉｌ
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ；Ｈｅａｖｙ—ｌｏａｄ；Ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ；
Ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ；Ｃａｖｉｔｙ ｂｅｎｅａｔｈ ｒｏａｄ ｓｌａｂｓ
水泥混凝士路面极限承载力研究
插图索引
图１．１ 水泥混凝土路面典型损坏类型………………………………………………．．１ 图２．１ 永连公路调查路段超限车辆单轴轴载分布…………………………………１２ 图２．２永连公路调查路段超限车辆双轴轴载分布…………………………………１２ 图２．３轮胎接地面积的测量…………………………………………………………ｌ ３ 图２．４轮胎接地形状印痕……………………………………………………………１４ 图２．５双层弹性地基体系参数取值…………………………………………………１７ 图２．６弯沉等效示意图………………………………………………………………１７ 图２．７规范公式与式（２．９）、 （２．１ １）关于ｎ的计算结果对比………………１９ 图２．８ 刚性路面板承载示意图………………………………………………………２１ 图２．９车辆荷载作用图式……………………………………………………………２４ 图２．１０车辆荷载位置图………………………………………………………………２４ 图２，１１轮胎接地压力与轴载的关系…………………………………………………２５ 图２．１２ ＰＣＡＤ计算程序有限元分析网格划分示意图………………………………２７ 图２．１３水泥混凝土路面荷载应力和综合应力………………………………………２９ 图２．１４混凝土弯拉强度对极限承载力的影响………………………………………３１ 图２．１ ５混凝土板厚对极限承载力的影响…………………，．………………………，３１ 图２．１６基层顶面当量回弹模量对极限承载力的影响………………………………３１ 图２．１７温度梯度对极限承载力的影响………………………………………………３２ 图３．１ 晴天水泥混凝土面层的温度日变化曲线……………………………………３８ 图３．２晴天水泥混凝土面层的温度梯度日变化曲线………………………………３８ 图３．３温度梯度频率曲线……………………………………………………………４３ 图３．４典型重载混凝土路面结构……………………………………………………４７ 图３．５混凝土路面设计流程图………………………………………………………４９ 图４．１ 板底脱空引起的横向开裂……………………………………………………５３ 图４．２混凝土路面结构有限元分析模型……………………………………………５５ 图４．３ ２０节点六面体等参单元……………………………………………………５６ 图４，４三维路面结构网格划分示意图………………………………………………６ｌ 图４．５车辆荷载位置图………………………………………………………………６２ 图４．６混凝土板纵向应力云图（纵缝边缘中部，Ｐ＝２００ｋＮ）……………………６３ 图４．７ 路面结构模型竖向位移云图（纵缝边缘中部，Ｐ＝２００ｋＮ）………………６４ 图４，８混凝土板主应力ｓｌ云图（板角，Ｐ＝３００ｋＮ）……………………………６４ 图４．９混凝土板竖向位移云图（板角，Ｐ＝３００ｋＮ）………………………………６４
ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｔｕａｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｌｏａｄｉｎｇ， ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｌｓｏ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｅｘ ｌｏａｄ．Ａｇａｉｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ；ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｉｍｉｔｓ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｌｓｏ Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｂｅｎｅａｔｈ ｒｏａｄ ｓｌａｂｓ，３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｐａｖｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｆｅ ｏｆ
湖南大学 硕士学位论文 水泥混凝土路面极限承载力研究 姓名：孔铭 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：黄立葵
20060522
硕士学位论文
摘要
近年来，我国公路交通运输不断发展，公路超载运输现象也日益普遍和严重。 水泥混凝土路面作为高等级公路的主要形式之一，很多在使用初期就发生了严重 的结构损坏，路面的使用寿命大大缩短，严重影响了公路的通行能力、行车安全 和投资效益。当路面板荷载应力与温度应力的组合处于不利状态时，过大轴载的 一次作用就可能造成路面结构的破坏，路面结构的抗疲劳性则无从谈起。世界各 国水泥混凝土路面结构设计方法中尚未引入极限承载力的分析方法。因此，根据 公路实际的交通组成和温度状况，研究水泥混凝土路面结构极限状态的分析和设 计方法成为迫切需要解决的问题。
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｒａｆｆｉｃ ｓｕｒｖｅｙｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｈｅａｖｙ—ｌｏａｄ ｒｏａｄ ｗｅｒｅ
ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ；Ａｌｓｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｒａｆｆｉｃ，ｌｏａｄ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈｗａｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ
表２．３ 永连公路超限车辆双轴轴载统计表…………………………………．
表２．４ 车辆参数汇总表………………………………………………………．
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表２．５ 不同路面结构当量回弹模量换算结果比较…………………………．
表２．６ 不同计算方法下双层结构基层顶面当量回弹模量值比较…………．
表２．７ 路面结构与材料性质…………………………………………………．
关键词：水泥混凝土路面；重荷载；极限承载力；设计方法：板底脱空
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奎鎏堡墼圭塑耍墼堡童墼童墼圣
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ，ｒｏａｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ ｂｅｃｏｍｅｓ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ａｎｄ ｓｅｒｉｏｕｓ．Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ，ｍａｎｙ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｏｆ ｌｉｆｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｌｉｆｅ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ；ａｌｓｏ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｒａｆｆｉｃ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｒｅｔｕｒｎｓ ａｒｅ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｒｏａｄ ｓｌａｂｓ ｃｏｍｂｉｎｅ ｉｎ ａ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｄ ｓｔａｔｅ，ｐａｖｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｍａｙ ｂｅ ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｄ ｗｈｅｎ ａ ｌａｒｇｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｎｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｏｆ ｐａｖｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｅｃｏｍｅｓ ｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｈａｖｅ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｉｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔａｔｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｔｕａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏａｄ ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．
ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｅａｒｌｙ ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｓ ｗｅｒｅ
ｒｅｖｅａｌｅｄ；Ａｌｓｏ，ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｃａｖｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ，ａｎｄ ａ ｇｒｅａｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｄａｔａ，ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ
本文首先从典型重载交通道路的交通调查与分析入手，研究了重荷载交通道 路的交通量、轴载分布及荷载特征，针对现行设计规范中关于基层顶面当量回弹 模量值计算公式存在的不足，利用弹性层状体系理论，按照弯沉等效原则，通过 大量的计算分析，回归出了精度较高、适用范围更广的基层顶面当量回弹模量计 算公式。其次，根据实测荷载作用面积和计算轮胎接地压力，计算了重荷载作用 下水泥混凝土路面结构的力学响应，提出了分析混凝土路面极限承载力的方法， 并分析的概率特征，提出了考虑极限承载力的混凝土路面设计方法，并拟 定了满足各级极限轴载的典型混凝土路面结构形式。最后，针对混凝土路面板板 底脱空现象，对路面结构建立三维有限元模型，通过大量的有限元计算，分析了 板底脱空对路面板承载力及使用寿命的影响，揭示了路面发生早期损坏的根本原 因，并从路面材料和结构设计方面探讨了防止路面板脱空的措施和方法。