多场耦合作用下透水沥青路面的动力响应特性研究

发布时间：2020-08-15 21:24

【摘要】：在我国多雨地区,沥青路面常见的病害主要为水损害。水在车辆荷载的反复作用下会产生孔隙水压力和真空负压抽吸压力的作用,使沥青路面结构内部的粘附性降低,丧失了集料之间的粘结力,从而致使沥青膜从集料表面脱落,进而造成沥青路面水损害。透水路面的合理设计是减轻水损害产生的重要手段。目前透水沥青路面的水-力耦合作用机制尚不清楚,透水沥青路面在温度、饱水和荷载共同作用下、非饱水荷载共同作用下的动力响应机制的研究尚未进行,这些问题的解决都将直接影响沥青路面水力耦合作用机制以及动力响应特性揭示。因此,本文对透水沥青路面在水-力耦合作用下、热-水-力耦合作用下、水-气-力耦合作用下的动力响应机制进行研究,基于路面材料为弹性多孔介质的假定以及Biot固结理论,建立三维沥青路面系统结构有限元模型,采用有限元数值模拟的方法获得路面各结构层的应力、位移和孔隙水压力,通过分析各物理参数的影响以揭示水损害的机理,为透水沥青路面的设计提供理论依据和技术指导。本文的主要研究内容描述如下:(1)水-力耦合作用下的透水沥青路面动力响应研究。利用多场耦合分析软件COMSOL,建立移动荷载作用下的饱水沥青路面三维有限元模型,结果表明,弹性模量的变化对于路面的竖向应力有较大影响,对于横向应力的影响较小。动荷载作用下沥青路面上面层-中面层之间承受的横向拉应力最大。因此在沥青路面的设计中,应着重对此位置进行防裂设计;速度对于饱水沥青路面的孔隙水压力影响较小,而荷载峰值的大小对孔隙水压力有较大的影响。当荷载峰值增加50%时,孔隙水压力增大59.8%,说明荷载峰值的增大会加剧路面的水损坏。(2)热-水-力耦合作用下的透水沥青路面动力响应研究。建立热-水-力耦合作用的三维沥青路面有限元模型。分析在移动荷载和温度荷载共同作用下,模拟饱水沥青路面的动力时程响应结果。结果表明,仅在温度荷载作用下,路面结构的竖向应力仅在顶层有较为明显的变化。并且温度的升高会增大路面的横向拉应力。(3)水-气-力耦合作用下的透水沥青路面动力响应研究。基于非饱和渗流理论,模立了水-气-力耦合作用的三维沥青路面有限元模型,并与饱水沥青路面结果进行对比分析。结果表明,非饱水沥青路面最大横向应力约为150kPa,而饱水沥青路面最大横向应力结果约为800kPa,说明水的排出对于避免道路出现裂缝有很大的作用。非饱水沥青路面的最大孔隙水压力为56.76kPa,与同条件下的饱水沥青路面相比下降了 40.70%。本文通过分析水-力耦合、热-水-力耦合、水-气-力耦合作用下的透水沥青路面的动力响应,揭示水损害的机理,为透水沥青路面的设计提供理论依据和技术指导。
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.217;U418.6;O347.3
【图文】：

示意图,透水沥青路面,技术路线,优点

图１．１技术路线示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋ｒｏａｄｍａｐ逡逑１．５本章小结逡逑（］）本章首先提出了透水沥青路面的优点及广阔的应用前景。防止高孔隙水压力和高逡逑

沥青路面结构,几何模型,体系,材料参数

图３．１沥青路面结构体系几何模型逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ａｓｐｈａｌｔ邋ｐａｖｅｍｅｎｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑表３．１饱水沥青路面结构材料参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋３．１邋Ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒ邋ｏｆ邋Ｓａｔｕｒａｔｅｄ邋Ａｓｐｈａｌｔ邋Ｐａｖｅｍｅｎｔ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑

行车荷载,作用方向,网格模型

式中：Ｐ■…作用在车轮上的荷载，ｋＮ；邋ｐ＿…轮胎接触压力，ｋＰａ。逡逑在我国现行的路面设计规范中规定：Ｐｍａｘ邋＝０．７ＭＰａ，用式３－１计算，可以算出当量直逡逑径。随时间的历程变化曲线如图３－２所示，即逡逑丰逡逑Ｐ｝ｎａｘ逡逑°逦Ｔ／２逦了逦卞逡逑图３．２．轮载的加载历程曲线逡逑Ｆｉｇ．邋３．２邋Ｔｈｅ邋ｌｏａｄｉｎｇ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｗｈｅｅｌ邋ｌｏａｄ逡逑户ｍａｘ邋＝７００ｋＰａ。随时间的历程变化曲线如图３．２所示，即逡逑Ｐ邋＝邋＾ｎａｘＳｉｎ（＾０逦（３＿２）逡逑ｐ＝０逦ｔ＞Ｔ逡逑Ｔ为单次车载作用时间，当车速为８０ｋｍ／ｈ时，等效的Ｔ约为０．０４５ｓ，逡逑在本章研宄中，根据上述公式可计算得到荷载的当量圆直径为２１．３２ｃｍ。且瞬时移动逡逑荷载最大赋值取为０．７ＭＰａ。行驶速度为４０ｋｍ／ｈ时，单元上荷载作用时间约为０．５４２ｓ。逡逑在此模型中，移动荷载的作用位置位于横向的中心位置，且沿着纵向从一端移动至另逡逑一端。模型底面边界为全约束，侧边界为法向约束，上边界自由。由于本模型是全透水路逡逑面模型，因此，路面结构除底面之外，侧边和顶面均为透水边界，且假定结构各层的初始逡逑孔隙水压力为０。饱水沥青多孔介质结构中固相为沥青混合物质的骨架结构。逡逑３．２．４网格划分逡逑运用Ｍａｐｐｅｄ映射网格划分方式先将顶面进行四边形网格划分

【参考文献】