基于计算流体力学沥青路面水损害的应力场分析

发布时间：2014-12-31 11:20

 

【摘要】 随着我国高等级公路的建设和发展，半刚性基层沥青路面得到了广泛的应用。但是由于自然因素以及车辆荷载等因素，许多高速公路在通车数年之后，沥青面层就产生了大量麻面、松散、唧浆、坑洞、网裂等破坏现象，而多种破坏现象都与水有着直接或间接的关系。为此，我国道路工作者围绕水损害问题进行了大量的研究。很多人致力于水损坏的破坏机理，破坏程度，防护修补措施以及新型材料的研究，为了分析计算动水压力的大小以及时程变化情况，一部分研究人员致力于应用有限元计算方法模拟沥青路面结构，来分析沥青路面早期水损害的破坏机理。但是，很少有人从细观的角度分析沥青路面孔隙内部的压强分布以及动水作用下沥青混合料结构内部的应力分布情况。本文在前人研究的基础上结合计算流体力学，假设了沥青路面孔隙模型，对沥青路面孔隙内部流体的压强分布，流速分布，流场分布情况进行了分析，对孔隙周边的沥青混合料的应力分布进行了计算分析。并结合试验测得的沥青自身的粘结力和沥青与骨料之间的粘附力，判断沥青混合料早期水损害的形式与位置。第一，通过观察沥青路面孔隙分布情况，结合试件内部孔隙的形状，大小，连接孔隙的缝隙数量等因素，分析了沥青路面中孔隙可能存在的形式。并结合流体力学基本理论，通过对不同形状模型进行试算，建立了沥青路面孔隙的标准模型。第二，基于流体力学基本理论以及湍流理论，选取计算湍流的标准k计算模型，对沥青路面孔隙标准模型进行了计算分析。得到了沥青路面孔隙内液体压强的分布情况；探讨了沥青混合料有可能最先发生损伤的位置；对比了在连接孔隙的缝隙数量，尺寸以及连通性不同的情况下液体压强分布情况；对出口缝隙存在变径的情况进行了分析。对封闭缝隙存在于不同位置的六种情况进行了计算分析，研究了封闭缝隙位置对孔隙内部的压强分布造成的影响。第三，建立了流固耦合模型，应用单向耦合，计算了在随时间变化的载荷作用下沥青混合料的应力分布情况，通过对应力的大小和方向的分析，推断沥青混合料可能出现的破坏位置以及破坏的先后顺序。最后，利用前人的试验方法，测定了沥青的粘附力沥青与骨料之间的粘结力的大小。对比沥青混合料的受力情况，分析沥青混合料早期水损害的破坏形式。 

第 1 章 绪论

 

1.1  选题背景及意义

自二十世纪八十年代以来，我国的高速公路的建设得到迅猛发展，通车里程不断增加，公路运输已成为我国最主要的交通运输形式之一。但是随着交通量和车辆荷载的激增，我国高速公路在建成几年之后即出现严重的破坏，不仅降低了道路的使用性能，而且为之后的维修与养护带来了高额的费用，造成了巨大的经济损失。在高速公路路面早期的几种破坏形式中根据统计结果显示，麻面占0.47%、网裂占 2.72%、泛油占 6.02%、松散占 8.90%、沉陷占 19.58%、坑洞占62.3%，从以上比例中可以看出坑洞是主要的破坏形式，坑洞产生的主要原因有：沥青层施工完成时的孔隙率偏大、沥青与矿料间的黏结性能不好、渗入沥青层的水不能及时排出，从而出现了水损现象。

水损害在高速公路早期损害中占很大比例，我国的沥青路面的设计年限多为15-20 年，但目前通车一段时间后，高速公路沥青路面无一例外地出现不同的水损害状况，主要表现为路面坑洞、裂缝、沥青剥离、松散，辙槽等现象。在我国南方，常年雨水较多，如果沥青路面底层排水不良，将会导致沥青路面内存水，经过车辆荷载的反复作用，导致沥青从骨料上剥离，甚至脱落。在北方虽然降水少于南方，但是北方路面同样存在早期水损害问题，尤其是冬春季节，由于昼夜温差较大，白天路面积雪融化渗入路面却无法及时排除，残留于路面中的水到了夜间结冰，体积膨胀，可能造成部分路面开裂，同时由于反复冻融，会导致沥青的疲劳，使沥青的粘结性能下降。

在路面的早期损害中，有一些损坏，如沉降，推移已经随着研究的深入和技术的发展得到了很好的解决，近些年来国内外对水损害问题的重视程度不断提高，为了尽可能的降低沥青路面早期水损害，很多研究人员都致力于这方面的研究，希望通过试验或者数值模拟等方法对沥青路面的水稳定性进行评价，进而找出防治沥青路面早期水损害的方法，同时人们在路面试验中采用了许多新技术如采用 SHAP 沥青评价技术SUPERPAVE 的混合料设计技术,以及抗剥落剂，各种纤维材料的添加，这些方法在一定程度上改善了沥青混合料的性能，但是没有从根本上解决早期水损害问题，甚至根本没有一套完善的评价沥青路面水损害的方法。因此，系统研究沥青路面早期水损害产生的原因及防治措施有着重大的经济及社会意义。

 

1.2  沥青路面水损害的表现形式

降水进入沥青路面面层，如果无法及时排除，在车辆荷载的反复作用下将会产生以下水损害形式：

1.  泛油

水损害引起的泛油与普通的泛油有所不同，普通泛油是指沥青路面中的自由沥青受热膨胀，直至沥青路面中的孔隙无法容纳，溢出上泛到路表的现象。而水损害引起的泛油，是由于沥青路面孔隙中存有水，在车辆荷载的不断作用下，沥青剥落析出，同时在车辆的带动下，表面析出的沥青将会被推移，进而产生辙槽，严重时，沥青与骨料分离，进一步造成沥青混合料松散现象。

2.  形变、网裂、辙槽

在泛油的基础上，沥青路面中面层内存有积水，导致上面层首先在行车的轮迹带上产生网裂形变，有的甚至直接产生辙槽。在随后的降雨过程中，可能导致原网裂带进一步恶化，形成松散、坑洞。

 

 

3.  松散、坑洞

水透入上面层后，透入上面层的水较快渗入中面层,滞留在中面层的水来不及透过中面层进入底面层之前，中面层沥青混凝土强度变弱，沥青剥落，经过长时间的车载作用，沥青混合料变得松散。沥青表面一旦产生松散，在大量的高速行驶车辆的带动下会将松散的骨料甩出，或者被雨水冲走，进而形成坑洞。

 

 

 

第 2 章 基本理论介绍

 

2.1  流体力学基本理论

流体力学发展至今已经成为力学领域一项非常重要的分支学科，特别是流固耦合理论发展以后，流体力学的基本理论在各个方面得到了广泛的应用。历史上，流体力学一直沿着理论的和实验的两个不同的途径发展。理论流体力学由于 1755 年欧拉方程的提出，对于不考虑粘性的理想流体流动的理论解已逐渐达到完美的程度。遗憾的是理想流体的解往往与试验结果和真实流动相差甚远，甚至相反。因此工程师们为了解决生产和技术发展中提出的流体运动问题，发展了高度经验性的一门流体力学的分支—水力学。 

理论流体力学进一步发展，笔耕文化传播，1821 年开始，纳维等人考虑将分子间作用力加入到欧拉方程中去。1845年斯托克斯将这个分子间的作用力用粘性系数 μ表示，并正式完成了纳维-斯托克斯方程，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。

20 世纪初，德国工程师普朗特提出了边界层理论，对流体力学，特别是粘性流体力学的发展做出了卓越的贡献。边界层理论的提出使理论和实验完美地统一起来，从而使流体力学的两个分支—理想流体力学和水力学逐渐结合和统一，使流体力学得到了划时代的发展。

2.1.1  流体力学基本方程

对于流体是否有粘性我们把流体分为粘性流体和非粘性流体—理想流体。如果两层流体间有相对滑移，即存在剪切变形，流体内部便会产生切应力以抵抗这种变形，称流体的这种抵抗变形的性质为粘性。流动的实际流体中总会存在切应力，然而在某些条件下粘性力与其他力如惯性力相比处于次要地位，可以忽略粘性影响，取切应力为零，称这种流动为非粘性流动，或者是理想流体流动，这里面所说的理想流体就是没有粘性的流体。

 

2.2  本章小结

本章主要内容包括

（1）介绍了流体力学的基本理论，列举了计算过程中所需要的一系列方程。

（2）介绍了湍流的基本理论，以及湍流计算方程基本推导过程，为之后的计算提供了理论基础。

（3）介绍了计算流体力学软件 CFD-ACE+基本情况以及主要技术特点，同时介绍了软件中包含的不同的处理模块和应用范围。

（4）详细介绍了本文计算中应用的三个模块，流体模块、湍流模块、应力模块，并且分别给出了各个模块计算的基本理论和湍流模块的主要计算模型。 

 

第3 章  沥青路面孔隙稳态计算模型的建立..........19

3.1  孔隙模型的建立..........19

3.1.1  道路表面空隙分析.........19

3.1.2  路面内部孔隙分布分析.................20

第4 章  沥青路面水损害的稳态分析..........29

4.1  标准模型的稳态分析........29

4.2  连接缝隙尺寸大小对计算结果的影响分析........32

第5 章  沥青路面水损害的瞬态分析..........43

5.1  沥青路面瞬态计算模型.............43

5.1.1  荷载的施加..............43

 

第 6 章 试验分析

 

我国众多学者对沥青的粘结性能进行了广泛的研究，主要的方法有通过水煮法评价沥青混合料的粘结性能[42]，但是水煮法的试验技术较难控制，且通过目测方法很难进行精确地评估沥青脱落的面积；另一种方法是基于粘附功的测试方法，通过测试沥青开裂面的张力和角度计算粘附功，根据粘附功的值确定粘附效果。

还有人通过直接测量沥青与骨料之间的粘结力判断沥青的粘附效果。普遍认为沥青混合料的粘结力的强弱是影响早期水损害的主要因素，因此寻求一种沥青与骨料之间粘结力的测试方法尤为重要。目前，可以使用万能试验机对粘结力进行测试，但使用中存在调整时间过长及操作不方便等问题。

本文中采用吉林大学郑传峰副教授自制的液压测量拉伸装置以及相应测量方法对沥青本身的粘结强度和沥青与骨料之间的粘附强度的测量。

 

6.1  试验原理

该试验是采用 HC-40 的液压力测量装置和自行设计的测试管芯来测试矿料接触面的拉伸荷载。计算矿料接触面的总体拉伸强度tR ，在不同外界条件下，将总体拉伸强度tR 与 AM-20 半开级配沥青稳定碎石混合料的劈裂强度TR 进行对比，之后用一个相应的计算方法确定骨料与沥青之间的粘附强度aR ，以及沥青本身的粘结强度cR 。通过试验的结果显示矿料接触面的总体拉伸强度tR 与混合料的劈裂强度TR 存在部分差别，但是他们的变化规律是一致的。因此，可以认定该测试方法的有效性。

 

第 7 章 结论与展望

 

7.1  全文总结

本文基于计算流体力学理论，应用有限元软件CFD-GEOM 建立了饱水沥青路面孔隙的模型和流固耦合模型，并应用 CFD-ACE+对其进行了稳态和瞬态计算，采用所建立的模型分析了以下内容。

（1）描述标准孔隙模型建立的过程，包括孔隙的大小，形状的选取。确定了模型的边界条件以及荷载的大小，通过计算给出了标准孔隙模型内部液体的压强分布情况，流速分布情况，流场分布情况等。

（2）在标准模型的基础上对模型进行改进，建立了连接孔隙的缝隙在不同尺寸情况下的模型，并对新建立的模型进行了计算分析。对出口缝隙存在变径的情况进行了计算和详细地分析。

（3）连接孔隙的开口缝隙数量与位置不同情况下的对比分析，比较缝隙数量与位置对孔隙内部压强分布的影响，对不同模型最早出现破坏的位置进行分析预测。

（4）连接孔隙的封闭缝隙位置不同情况下的液体压强分布情况分析，对不同位置处封闭缝隙内压强大小进行分析，确定不同位置对封闭缝隙压强大小以及方向的影响，进而判断破坏位置。

5）设定流固耦合模型，进行瞬态分析，通过计算确定流固耦合模型的固体部分的长度，建立之后计算中使用的流固耦合模型，确定施加的瞬态荷载，以及固体的边界条件。

（6）假设出口缝隙中存在一开裂缝隙，对液体流动区域内存在的开裂缝隙的模型计算分析，通过计算结果提取沥青混合料的应力场分布，对等效应力、x方向应力和y方向应力进行分析，确定最易出现破坏的位置和产生破坏的方式。

（7）对孔隙周边的应力分布情况进行分析，孔隙内部最可能产生破坏的情况讨论，选取几种孔隙内部存在封闭缝隙的模型，对不同模型进行计算，确定容易破坏的情形。

（8）通过试验对沥青的粘结性强度和沥青与骨料之间的粘附性强度进行了测量，与模拟计算结果进行了对比分析，分析了沥青混合料在饱水状况下的破坏形式与位置。
 

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本文编号：10959