基于扩展有限元的多掺料水泥稳定碎石收缩开裂特性研究

发布时间：2020-08-18 22:23

【摘要】：收缩开裂问题是影响半刚性基层路面使用性能和结构性能的重要因素,由于问题本身所具有的复杂性和重要性,使得收缩开裂问题一直是道路研究领域的难点。传统的收缩性能研究是通过室内试验和现场试验分别研究基层裂缝的开裂及发展规律,室内试验的研究环境限制而现场试验耗时长,使得两者都具有一定的局限性。随着扩展有限元技术的逐步应用,为基层的收缩开裂问题的研究开拓了新的方向。本文利用光纤光栅技术测量水泥稳定碎石材料干缩系数和温缩系数的方法,开展室内试验研究掺加料对收缩开裂性能的影响,同时,基于扩展有限元建立水泥稳定碎石基层模型,分析掺加料和基层厚度对水泥稳定碎石基层收缩裂缝间距的影响。文章主要包括以下几个方面的内容:首先,开展水泥稳定碎石基层材料抗裂性能的室内试验研究,通过查找翻阅文献选定三种掺加料,即消石灰、脱硫石膏和聚丙烯纤维来改善水泥稳定碎石材料的干、温缩性能,利用正交均匀设计来确定三种掺加料的配合比,采用光纤光栅技术测量其干缩系数和温缩系数。其次,通过现场监测,进行水泥稳定碎石基层裂缝发展规律研究,包括产生的时间、裂缝间距等。再次,应用ABAQUS有限元软件,结合扩展有限元建立水泥稳定碎石基层收缩裂缝分析模型,确定各结构层的密度、弹性模量、泊松比、干缩系数和温缩系数,并和现场监测的结果对比,分析数值模拟分析的可靠性。最后,基于已建立的有限元模型进一步分析干、温缩系数以及基层厚度对基层开裂性能的影响。研究结果表明:掺加料可以改善水泥稳定碎石材料的抗裂性能;数值模拟分析中可以看出适合的干缩系数和温缩系数可以使得水泥稳定碎石基层的开裂间距增大,提高基层的抗裂性能和推迟贯穿裂缝出现的时间点;基层厚度的增加也可以增大基层开裂间距。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414
【图文】：

技术路线图,水泥稳定碎石基层,收缩开裂,数值模拟分析

基于扩展有限元的多掺料水泥稳定碎石收缩开裂特性研究（2）水泥稳定碎石基层试验路段裂缝发展规律的研究对水泥稳定碎石基层进行监测，研究其裂缝发生和发展的规律，包括产生的时间、裂缝出现的位置等，为水泥稳定碎石基层数值模拟分析提供依据。（3）水泥稳定碎石基层开裂间距的研究本文基于扩展有限元法模拟水泥稳定碎石基层收缩开裂，由于扩展有限元在道路工程领域的应用还不够成熟，首先介绍扩展有限元技术的基本原理和理论，建立基于扩展有限元法的基层模型，研究水泥稳定碎石基层的收缩开裂，并结合现场监测的结果，验证数值模拟分析的准确性；再应用此模型对不同干、温缩系数下和不同基层厚度下的基层收缩开裂进行数值模拟分析。1.3.2 技术路线本文研究的技术路线见图 1.1。

消石灰,脱硫石膏,级配组成,水泥剂量

消石灰

级配曲线,脱硫石膏

图 2.2 脱硫石膏图 2.3 聚丙烯纤维2.1.2 方案水泥稳定碎石的抗裂性能受水泥剂量、级配组成、养护条件、龄期、压实度和掺加料等多种因素的影响，本文主要研究掺加料对水泥稳定碎石抗裂性能的影响。本文试验确定水泥剂量和集料级配，选取三种掺加料为试验的影响因素，采用正交设计方法安排试验。各材料掺量的选取如下：（1）据已有文献[56]研究表明，水泥剂量的取值范围一般为 3%~5%，最大不能超过 5.5%。根据相关的文献报道和工程实践经验，通过击实试验和无侧限抗压强度试验，本文试验研究选用的水泥剂量为 4.4%。（2）根据现有的规范[61]，本试验研究的水泥稳定碎石的集料级配类型选用骨架密实型结构，四种级配组成见表 2.3，级配曲线见图 2.4。（3）参考已有文献，本试验中消石灰掺量选用 0.8%、1.0%、1.2%，脱硫石膏掺量选用 0.6%、0.8%、1.0%，聚丙烯纤维选用体积掺量 0.06%、0.08%、0.1%。消石灰和脱硫石膏掺量均指占

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