应用数学力学方法研究沥青路面结构特性

发布时间：2017-09-18 18:17

  本文关键词：应用数学力学方法研究沥青路面结构特性

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【摘要】： 本文应用数学力学方法，分析了沥青路面结构在三种状态下的性能，即常温下的一般受力状态、高温下的粘弹性能和低温下的抗开裂性能。 对于常温状态下的沥青路面结构，利用弹性层状体系理论，分析了层状路基合成模量的计算方法，得到了双层弹性层状弹性体系当量模量诺模图，并分析了当量模量的影响参数。对柔性承载板、刚性承载板作用下的当量模量，以及规范上的当量模量计算公式进行了对比，发现三种情况的差异较大，特别是规范上的计算公式甚至有得到负值模量的情况，严重与实际不符。 分析了长寿命路面结构的概念和含义，以及设计指标的合理选取。对两种长寿命路面的结构形式进行了参数分析，得到了设计指标最为敏感的影响参数，为陕蒙路提出了试验路方案和推荐型式。提出了路面结构和造价的优化规划方法，对规定参数范围和设计指标的一个例子进行了优选，根据各结构层的造价函数，对目标函数为造价的规划进行了计算。 根据对应原理，求解了粘弹性半空间体，对其表面位移进行了参数分析，发现对不可回复粘性系数最为敏感，而对可回复弹性和粘性系数最不敏感。通过拉普拉斯逆变换的数值法，求解了粘弹性双层体系，总结了利用对应原理和拉普拉斯逆变换数值方法求解多层体系的一般方法。以三层体系的沥青路面为例，为沥青面层提出了三种不同的非线性粘弹性模型，以考虑沥青面层随着荷载次数增加的固结效应。提出了车辙的计算方法，计算了车辙与荷载作用次数的关系，分析了车辙的各种影响因素。 对于路面材料的抗开裂性能，分析比较了各种评价试验方法，着重对SCB试件进行了分析，利用有限元方法计算SCB试件裂尖附近的应力和位移分布，根据断裂力学理论求得了不同裂缝长度时的应力强度因子，拟合了计算公式，，讨论了其影响因素。对路面结构的芯样和试验室的两种试件进行了SCB试验，得到了它们0℃和-20℃下的断裂韧度。对于路面结构的反射裂缝和自上而下裂缝，建立了有限元分析模型，分析计算了它们在5℃、20℃下Ⅰ型、Ⅱ型开裂的应力强度因子，拟合了计算公式，对四种面层厚度不同的情况进行了对比，分析了不同面层模量对应力强度因子的影响。利用描述裂缝扩展速率的Paris公式分析了Ⅰ型开裂裂缝的寿命，得到了裂缝长度与荷载作用次数的关系曲线，对不同面层厚度、不同裂缝类型的寿命进行了比较。
【关键词】：沥青路面 力学分析 线性规划 当量模量 粘弹性 车辙 SCB试验 应力强度因子 反射裂缝 自上而下裂缝 路面寿命
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：U416.217
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 问题的提出及研究的意义14-15
• 1.2 沥青路面结构理论的研究现状15-24
• 1.2.1 层状弹性体系理论15-16
• 1.2.2 路面结构的粘弹性分析16-20
• 1.2.3 路面结构分析中的断裂力学应用20-24
• 1.3 本论文的主要工作24-26
• 第二章 路面结构力学数值计算中的方法准备26-34
• 2.1 含贝塞尔函数无穷积分的数值方法26-28
• 2.1.1 有精确解的无穷积分及其数值解法26-27
• 2.1.2 无精确解的无穷积分27-28
• 2.2 拉普拉斯逆变换的数值方法28-34
• 2.2.1 拉氏逆变换数值方法综述与比较28-31
• 2.2.2 F.Durbin方法及在本文中应用31-34
• 第三章 沥青路面结构的一般性分析34-62
• 3.1 长寿命路面的一般结构34-35
• 3.2 路面结构的设计指标35-36
• 3.3 路面结构层的参数分析36-45
• 3.3.1 半刚性基层路面结构层的参数分析36-41
• 3.3.2 柔性基层路面结构层的参数分析41-45
• 3.4 最优结构的线性规划选择45-50
• 3.4.1 路面结构控制指标的优化46-48
• 3.4.2 路面结构造价的优化48-50
• 3.5 参数分析50-57
• 3.5.1 结构优化的参数分析50-54
• 3.5.2 造价优化的参数分析54-56
• 3.5.3 规划设计框图56-57
• 3.6 推荐的结构型式和试验路方案57-62
• 第四章 层状弹性体系的当量合成模量62-88
• 4.1 柔性承载板作用下双层弹性体系的当量模量62-65
• 4.1.1 弹性半空间体在柔性承载板(圆形均布荷载)作用下的位移公式62-63
• 4.1.2 双层弹性体系在柔性承载板(圆形均布荷载)作用下的位移公式63
• 4.1.3 对应关系的建立63-64
• 4.1.4 对应关系的诺模图64-65
• 4.2 规范上双层弹性体系当量模量的算法及不足65-66
• 4.2.1 规范上双层弹性体系当量模量的算法65-66
• 4.2.2 当量模量算法的对比66
• 4.3 刚性承载板作用下双层弹性体系的当量模量66-79
• 4.3.1 力学模型和分析思路67
• 4.3.2 方程的建立67-70
• 4.3.3 算例和方法的验证70-71
• 4.3.4 诺模图的绘制71
• 4.3.5 当量模量影响因素分析71-75
• 4.3.6 双层弹性体系当量模量的拟合75-78
• 4.3.7 小结78-79
• 4.4 刚性承载板作用下三层弹性体系的当量模量79-83
• 4.4.1 力学模型和分析思路79
• 4.4.2 方程的建立79-81
• 4.4.3 算例和方法的验证81-82
• 4.4.4 三层弹性体系当量模量的拟合82-83
• 4.5 三层弹性体系合成模量两种计算方法的对比83-85
• 4.6 陕蒙高速榆林段路基模量检测85-87
• 4.6.1 试验方法85
• 4.6.2 试验结果85-86
• 4.6.3 砂砾垫层的模量计算86-87
• 4.7 小结87-88
• 第五章 粘弹性层状体系及其求解88-107
• 5.1 弹性-粘弹性对应原理88-90
• 5.1.1 线性弹性和粘弹性的控制方程及边界条件88-90
• 5.1.2 线性弹性-粘弹性对应原理90
• 5.2 粘弹性半空间体90-101
• 5.2.1 半空间体的弹性解答91-92
• 5.2.2 半空间体的粘弹性解答92-94
• 5.2.3 参数分析94-101
• 5.2.4 小结101
• 5.3 粘弹性双层体系101-105
• 5.3.1 弹性解答101-102
• 5.3.2 粘弹性解答102-103
• 5.3.3 数值方法参数分析103-105
• 5.3.4 小结105
• 5.4 三层粘弹性层状体系105
• 5.5 多层粘弹性层状体系的一般求法105-106
• 5.6 小结106-107
• 第六章 路面永久变形的预估107-124
• 6.1 前言107
• 6.2 车辙的计算方法107-108
• 6.3 沥青混合料的粘弹性模型108-110
• 6.4 沥青混合料粘弹性模型的参数取值110-112
• 6.4.1 Burgers模型基本参数的选取110-111
• 6.4.2 非线性系数的选取111-112
• 6.4.3 小结112
• 6.5 车辙的计算112-116
• 6.5.1 线性模型112-113
• 6.5.2 非线性模型113-116
• 6.5.3 小结116
• 6.6 永久变形的影响参数分析116-122
• 6.6.1 荷载参数116
• 6.6.2 粘弹性面层参数分析116-121
• 6.6.3 路面结构参数分析121-122
• 6.6.4 小结122
• 6.7 小结122-124
• 第七章 SCB试件应力强度因子的分析124-139
• 7.1 沥青混凝土低温抗裂性能的评价124-127
• 7.1.1 直接拉伸试验124-125
• 7.1.2 间接拉伸试验125
• 7.1.3 弯曲试件125-127
• 7.1.4 半圆弯曲试验127
• 7.2 SCB试件应力强度因子的计算127-132
• 7.2.1 试验模型128
• 7.2.2 SCB试件应力强度因子的理论公式128-130
• 7.2.3 有限元求解及应力强度因子的计算130-132
• 7.3 应力强度因子的影响因素132-136
• 7.3.1 荷载大小的影响分析133-134
• 7.3.2 加载宽度的影响分析134-135
• 7.3.3 材料泊松比的影响分析135-136
• 7.3.4 小结136
• 7.4 不同裂缝长度时的应力强度因子拟合136-137
• 7.5 小结137-139
• 第八章 沥青混凝土的SCB试验分析139-145
• 8.1 原材料性能139-140
• 8.1.1 沥青139
• 8.1.2 集料139
• 8.1.3 矿粉139-140
• 8.1.4 沥青混合料物理指标140
• 8.2 SCB试件的制作140-142
• 8.2.1 试验室试件制作141-142
• 8.2.2 现场取样试件142
• 8.3 试验设计及试验结果142-143
• 8.4 试验数据的分析143-145
• 第九章 路面裂缝的断裂力学分析145-174
• 9.1 断裂力学在路面结构分析中的应用147-148
• 9.2 有限元模型的建立148-151
• 9.2.1 有限元程序精度的验证148-150
• 9.2.2 有限元模型的基本型式150
• 9.2.3 有限元程序模型边界影响分析150
• 9.2.4 小结150-151
• 9.3 路面反射裂缝结构的分析151-158
• 9.3.1 反射裂缝的Ⅰ型开裂151-156
• 9.3.2 反射裂缝的Ⅱ型开裂156-157
• 9.3.3 小结157-158
• 9.4 自上而下裂缝的分析158-163
• 9.4.1 自上而下裂缝的Ⅰ型开裂158-161
• 9.4.2 自上而下裂缝的Ⅱ型开裂161-163
• 9.4.3 小结163
• 9.5 应力强度因子的拟合163-164
• 9.6 温度为5℃时裂缝的应力强度因子计算分析164-166
• 9.7 不同温度下两种裂缝两种开裂模式的比较166-168
• 9.8 裂缝的发展及路面结构的寿命分析168-173
• 9.8.1 反射裂缝168-171
• 9.8.2 自上而下裂缝171-172
• 9.8.3 两种裂缝的比较172
• 9.8.4 小结172-173
• 9.9 小结173-174
• 结论和展望174-178
• 主要研究成果174-176
• 主要创新点176-177
• 进一步要研究的问题177-178
• 参考文献178-184
• 攻博期间发表的学术论文184-185
• 致谢185

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 牛智华;高性能橡胶沥青应力吸收层应用技术研究[D];长安大学;2011年

2 张红;沥青路面近荷载区Top-Down裂缝形成机理及扩展规律分析[D];长安大学;2011年

3 苏金巧;模拟路面的层状结构物层底拉应变变化规律研究[D];长安大学;2011年

4 陈东鹏;不同沥青路面结构组合层间工作状态研究[D];西安建筑科技大学;2010年

5 徐东;基于ALF加速加载试验的沥青路面车辙有限元模拟[D];长安大学;2010年

本文编号：877093