刚性基层水泥路翘曲脱空荷载疲劳应力研究.pdf

Research on void beneath curling slab and Load Fatigue Stress in Rigid Base Cement concrete Pavement A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Sun Yunchen Supervisor：Prof. Zhang Qing Chang’an University, Xi’an, China 摘 要 我国水泥混凝土路面早期损坏比较严重，造成这种现状固然有施工质量差，后期养 护不到位等原因。但温度作用下路面发生翘曲脱空现象，而路面结构设计并没有考虑翘 曲脱空对荷载疲劳应力的影响，是造成目前我国水泥混凝土路面早期损坏一个重要深层 原因。鉴于此，本文系统地研究了温度和荷载共同作用下路面板翘曲脱空发展变化规律， 建立了路面翘曲脱空荷载应力计算模型，并提出了考虑脱空的荷载疲劳应力计算方法， 对进一步完善设计体系具有重要的理论价值和现实意义。 根据水泥混凝土路面病害调查及使用状况，进行了水泥路面翘曲脱空产生以及路面 工作状态分析。采用 24h 连续板角 FWD 弯沉检测方法进行了路面板翘曲脱空状况分析， 路表温度观测及弯沉测试结果表明，路面破坏与温度梯度作用下的翘曲脱空有关。 通过对水泥路面板温度分布、温度梯度状况以及温度分布预估模型的分析，推导了 负温度梯度下面板纯弯状态时翘曲变形预估公式。建立了温度作用三维有限元结构分析 模型，系统分析了各因素对翘曲变形的影响。分析表明，温度梯度与基层模量变化对面 板翘曲脱空影响最显著，随着温度梯度、基层模量增大，路面板翘曲脱空增大，并利用 试验路观测数据进行验证。 通过温度和荷载共同作用下有限元计算，进行了水泥路面翘曲变形及荷载应力变化 分析。分析表明，翘曲脱空荷载应力大小随着温度梯度、基层模量增大而增大，随着面 板厚度增大而减小。通过对计算结果的回归分析，建立了温度梯度、基层模量以及面板 厚度与翘曲脱空荷载应力的计算模型。 在综合考虑温度梯度作用和轴载概率分布的基础上，系统提出了考虑路面翘曲脱空 的荷载疲劳应力计算方法。并依据理论分析结果，在广西水南高速路面进行了疲劳寿命 分析。分析表明，翘曲脱空荷载应力的出现使得路面使用寿命大幅减低，翘曲脱空是引 起刚性基层水泥混凝土路面破坏的本质原因。 关键词：水泥混凝土路面；刚性基层；翘曲脱空；温度梯度；有限元模型；轴载换算； 翘曲脱空荷载应力；荷载疲劳应力 I Abstract In china, the early damage of cement concrete pavement is more serious. The poor construction quality and the improper late maintenance, with no doubt, could cause this situation. However, one deep reason of this early damage is that the curling deformation phenomenon under temperature gradient occurs on the cement concrete pavement, and the pavement structure design is lack of consideration for the influence of void beneath curling slab. In this paper, the void law beneath curling slab under the couple action of traffic load and temperature is deeply studie