沥青路面横向开裂的数值模拟与结构优化研究

发布时间：2020-09-09 09:37

　　半刚性基层沥青路面因其强度高、稳定性好、抗冲刷能力强及工程造价低等优点,近几十年来一直被广泛地应用于我国高等级公路中,其主要病害类型为横向开裂。目前国内外对沥青路面横向开裂的预测模型多为基于实际裂缝调查数据的经验模型,无法解释横向裂缝的产生及扩展机理。本文将在实测的路面材料参数及现有理论的基础上,利用有限元方法对不同类型的横向开裂进行研究。首先,推导了基于连续弹性约束下的半刚性基层干缩应力计算公式,结合实测参数分析了半刚性基层的干缩开裂过程;利用ABAQUS有限元软件对均匀温度场和指数温度场下的基层收缩应力进行数值计算,分析了两种温缩模式下收缩应力的分布规律异同,并对基层温缩应力进行了参数敏感性分析;提出了基层综合收缩应力的计算方法,基于实测的收缩参数计算并比较了不同水泥稳定碎石基层的开裂间距。接着,通过搜集吉林省的气象资料,查阅相关文献获取路面材料的热物理参数,利用ABAQUS软件求解了沥青路面的温度场,分析了路面结构温度场随深度、时间的变化规律。然后,基于实测及文献获取的沥青混合料粘弹性参数,分析了非周期性降温作用下温度及结构参数沥青面层温缩应力的影响,利用正交分析法得出了基于面层温度应力最小的沥青路面推荐结构组合;选取以耗散能为控制变量的疲劳方程,基于Miner准则推导了周期性变温下的沥青路面温度疲劳损伤模型;应用ABAQUS软件分析了路面结构在周期性温度场下的温度应力及其变化规律,得出了路表温度疲劳损伤随时间的发展规律。最后,通过建立带裂缝的路面结构有限元模型,对周期性变温作用下的裂尖应力强度因子进行计算,利用Paris公式对温度疲劳寿命进行预估,并分析基层和面层结构参数对裂缝扩展的影响。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U416.217
【部分图文】：

技术路线图

模型图,干缩,弹性约束,半刚性基层

最后通过室内试验获取基层材料收缩参数，计算不同类型半刚性基层的收缩开裂间距。2.1 半刚性基层干缩开裂分析2.1.1 半刚性基层干缩应力理论分析半刚性基层材料早期的水化作用和水分挥发作用会使混合料内部的水分逐渐减少，宏观上的表现就是半刚性基层的干缩。在这个过程中基层本身的干缩系数、基层材料的抗拉强度、基层模量都是随着基层的养护龄期在变化的。施为民、姜竹生[29]推导了半刚性基层在连续式弹性约束下的温缩应力，但没有考虑温缩时基层内部沿厚度方向的温度梯度，且没有考虑基层在养生期中的模量及强度的变化。半刚性基层的失水过程一般需要经历一定的时间，干缩应变的产生和积累是需要一定过程的，本文中不考虑湿度梯度的影响，认为基层沿厚度方向截面的干缩应变是一致的，本文将采用文献[29]中的方法对半刚性基层的干缩应力进行推导，再根据室内试验实测的半刚性基层养生期内的干缩应变、模量及劈裂强度值，分析半刚性基层的干缩开裂过程。

翘曲应力,温度梯度,温缩,半刚性基层

图 2-4 由温度梯度产生的翘曲应力力学方法推导收缩应力时，无法考虑温度梯AQUS 有限元软件来对半刚性基层的温缩应温缩对应的温度场模式与有限元建模知，半刚性基层的干缩是一个水分缓慢散失变形是均匀的，故考虑在 ABAQUS 中采用均差导致基层温度在沿厚度范围内呈不均匀变变化幅值随深度逐渐减小，本文采用吴赣昌度场模型来模拟半刚性基层的温缩现象，指所示。( )( )( )123123, 0,,b yb y hb y h gPe y h y P e h y h gP e h g y ≤ < ≤ < + + ≤ < ∞ ，其中2 3 =P PP =

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