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1、 分类号：TH12 10710-2009125090 硕 士 学 位 论 文 沥青路面圆形槽修补机理研究 倪丹 导师姓名职称 胡永彪 教授 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 机械设计及理论 论文提交日期 2012 年 5 月 23 日 论文答辩日期 2012 年 5 月 31 日 学位授予单位 长安大学 Study on the Repair Mechanism of the Round Asphalt Pavement Pothole A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Ni Dan Supervisor
2、：Prof. Hu Yongbiao Changan University, Xian, China i 摘 要 本文主要对圆形开槽方式进行了系统、全面的研究，建立了数学模型，并进行了试验研究和仿真分析。 首先，本文对沥青路面坑槽的形成原因、修补机理进行了研究，提出了获得理想维修效果的具体要求，并着重对坑槽修补后再破损原因进行了深入的分析。 其次，本文采用弹性力学平面应力求解的方法，分析了圆形坑槽应力的分布情况和坑槽修补好之后应力的分布情况。 然后对坑槽修补后新老沥青混合料界面的粘结力进行了研究，推导出了计算公式，理论上分析了其影响因素。在此分析的基础上，本文对挖补式坑槽修补技术的两种不同开槽
3、方式进行了坑槽修补料与原有老沥青路面的界面粘结性能的理论研究。根据坑槽修补的质量评价指标，本文模拟了实际路面坑槽的修补过程，对坑槽修补后新老沥青混合料界面粘结性能检测的试验方法进行了设计，并完成了试验。 最后，本文应用有限元分析软件 ANSYS 对坑槽修补后各点在车轮载荷作用下的数值响应进行了研究，分析了不同载荷作用位置下不同形状坑槽的应力分布情况。 关键词：沥青路面，坑槽修补，开槽方式，界面粘结性能，有限元分析ii Abstract This paper mainly focuses on the systematic and comprehensive study of the circu
4、lar slot way, the mathematical model was established, and the experimental research and simulation analysis is done. First, study is done on the distress causes and repair mechanisms of the asphalt pavement pothole. The specific requirement of pavement repair has been proposed. Moreover, analysis is
5、 done to the re-distress causes of repaired potholes. Then, using the solution of plane stress on the theory of elasticity mechanics, the stresses distributing of circular trenches and repaired trenches is analyzed. Interface bonding strength is researched, an interface stickiness formula is put for
6、ward, different factors working on the interface stickiness are analyzed in the abstract. On the basis of this analysis, a deepened analysis is offered to the stickiness between the new materials for potholes repairs and the old asphalt roads. According to the quality evaluation index of trenches re
7、paired, simulating the pothole repairing process, interface adhesion performance of the new and the old asphalt materials are given the experimentation study at the same time. Finally, by the use of the ANSYS software, the stress distribution of the trenches under the wheel load in different locatio
8、n was analyzed. Key Words: asphalt roads; pothole repair; slotting mode; interface stickiness; FEM analysis 长安大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 . 5 1.1 国内外沥青路面坑槽修补技术发展现状 5 1.1.1 沥青路面养护维修的重要性 . 5 1.1.2 沥青路面破损形式分析 . 6 1.1.3 沥青路面坑槽养护维修的重要性 . 7 1.1.4 国内外沥青路面坑槽修补技术发展现状 . 7 1.2 沥青路面圆形坑槽修补问题的提出及研究目的 10 1.3 本文的主要研究内容
9、与研究方法 11 第二章 沥青路面坑槽破损及修补机理分析 . 13 2.1 沥青路面坑槽破损的形成机理 13 2.2 沥青路面坑槽破损的修补机理 13 2.2.1 坑槽修补的要求 . 14 2.2.2 沥青路面坑槽修补材料的松铺量分析 . 17 2.3 沥青路面坑槽修补后再破损原因分析 17 2.4 沥青混合料预制块修补法 20 2.5 本章小结 21 第三章 沥青路面圆形开槽方式的力学分析 . 23 3.1 沥青路面圆形坑洞应力状态分布分析 23 3.2 沥青路面圆形坑槽修补后的应力状态分析 25 3.3 本章小结 28 第四章 沥青路面不同形状坑槽的界面性能研究 . 29 4.1 新老沥青
10、路面界面粘结性能的理论分析 29 4.2 沥青路面坑槽修补评价指标 . 32 4.3 新老沥青混合料界面粘结力的试验 33 4.3.1 试验目的 . 33 4.3.2 试验器具和材料 . 33 4.3.3 试验步骤 . 34 4.3.4 新老沥青混合料界面粘结力的测定 . 38 4.3.5 新老沥青界面平均粘结剪应力的计算 . 38 4.3.6 试验报告和结果分析 . 38 4.4 本章小结 40 iv 第五章 不同工况下坑槽修补材料受力的计算机仿真分析 . 43 5.1 有限元模型的建立 43 5.2 不同的荷载作用位置下坑槽修补后的沥青路面的力学分析 44 5.2.1 工况的应力分析 .
11、45 5.2.2 工况的应力分析 . 47 5.2.3 工况的应力分析 . 50 5.2.4 工况的应力分析 . 52 5.3 本章小结 55 结论及展望 . 57 参考文献 . 59 致 谢 . 63 长安大学硕士学位论文 5 第一章 绪论 1.1 国内外沥青路面坑槽修补技术发展现状 1.1.1 沥青路面养护维修的重要性 近几十年来，随着改革开放的不断深入和国民经济的飞速发展，作为我国经济建设重点项目的公路建设也在飞速发展。我国公路建设的速度非常快，通车里程达到了很大的规模，交通量也呈增长的趋势。2011 年我国新增公路通车里程 7.14 万公里，其中高速公路 1.10 万公里，新改建农村公
12、路 19 万公里。截至 2011 年底，全国公路网总里程达到 405.54 万公里，高速公路总里程达到 8.5 万公里。但是我国公路建设的起步比较晚，技术力量比较薄弱，并且交通流量比较大，车辆超载比较严重，许多路面通车不久后就出现各种早期损坏，如泛油、车辙、裂缝、坑槽等。基于以上存在的问题，必须对修筑好的路面进行大规模的维修。 不断地养护维修沥青路面，才能保证它快速、高效、舒适和安全的交通运输特点，延长它的使用寿命，使它发挥最大的社会效益和经济效益。沥青路面养护工作通常可以分为两种：预防性养护和矫正性养护。沥青路面预防性养护指那些以减缓沥青路面使用性能的恶化速度为目的的和具有保护沥青路面功效的
13、作业， 它一般被用于还未发生损害或者只有轻微病害的路面。沥青路面矫正性养护指用来修正某种特定损坏的作业，它通常被用于发生损坏但还只是局部损坏的路面1。 美国联邦公路管理局进行了五年的关于柔性路面的长期路面使用性能的试验研究分析 SPS32，认为：路面的养护维修对提高路面的使用性能是十分有益的，并且无论路面状态是较差、一般还是良好，都十分的有效。1992 年美国密歇根州交通部门对里程大概为 4265 千米的路面进行了养护维修。由 1992 年到 1996 年，这项计划只花费了八千万美元，而如果采用重建计划，它的花费是预防性养护维修费用的 14 倍3。当然，翻修计划可以使沥青路面的使用寿命延长得更
14、多一些， 但养护维修沥青路面也可以使路面的使用寿命延长 510 年4。很显然，养护维修能够减缓由于自然因素和交通荷载所引起的路面损害的产生，并且推迟了翻修期的到来5。而且，如果不能够及时地进行维修或者延误维修，不仅会使路面的破损处增多，而且还会使得维修费用急剧增多。图 1.1、图 1.2 是为达到相同的寿命周期，路面损坏前和损坏后采用薄层罩面和预防性罩面而所需要的罩面厚度的对比6。从图中可以看出，在沥青路面损坏前使用 2的预防性罩面，第一章 绪论 6 在效果上等同于沥青路面破损后采用 53/4的薄层罩面，而所需费用只有它的 1/3。由此可以看出及时的养护维修是非常重要的，它能够使路面保持优良的
15、使用性能，并且可以使得公路管理部门用最低的投资来获得最好的养护效果。 沥青铺面等效厚度沥青铺面等效厚度（英寸英寸）0246810累积等效轴次累积等效轴次100000020000003000000沥青铺面等效厚度沥青铺面等效厚度（英寸英寸）0246810累积等效轴次累积等效轴次100000020000003000000图图 1.1 路面损坏前所需要的罩面厚度路面损坏前所需要的罩面厚度 图图 1.2 路面损坏后所需要的罩面厚度路面损坏后所需要的罩面厚度 八十年代中期，国外发达国家修建公路的速度已经趋于平缓，公路养护已经被摆在了十分重要的地位。 许多公路发达国家用于道路养护维修的费用往往要占到道路事
16、业总费用的 3050。如每年美国要花费 150 亿美元来维护其国内 400 万千米的公路网；法国拥有国营和 A 级道路 29700 千米，用于道路养护维修的机械就有 6 万多台7。 为了满足路面养护维修工作的要求， 许多公路发达国家都将改进和提高沥青路面养护技术与相关设备作为公路技术进步的研究重点，并且投入了许多的精力和资金。1987年，美国国会通过了美国高速公路战略研究计划，它的总投资额是 1.5 亿美元，目标是改善美国路面的使用性能及耐久性，使道路的使用者和它的维护者更安全，在 SHRP 计划中的第 4 项对沥青路面的养护技术进行了细致、深入的研究8。国外许多发达国家已经意识到对公路养护新技术进行研究的重要性，进行了许多科研工作，而且取得了大量的新的研究成果9。 伴随着公路等级的不断增加，尤其是高速公路里程的快速增长，国内对路面的养护工作提出了更高的要求，所以必须要加快路面养护新技术的研究。为此要不断
