论文部分内容阅读
沥青路面是高速公路的主要结构形式之一，不但承受自然环境影响，同时也要受到车辆动荷载反复作用。而车辆动荷载包括竖向荷载和水平荷载，车辆启动及制动过程中的摩擦力。另外，在外界变化环境的作用下路面结构会形成沿深度分布的温度梯度及温度变化。无机结合料稳定类基层是我国高速公路沥青路面较常用的一种结构，这种结构有其优点，但是也有容易产生干缩裂缝的缺点。基层含裂缝的沥青路面在车辆动荷载与温度耦合作用下会产生集中应力，容易形成反射裂缝。目前研究路面反射裂缝扩展规律的方法主要有解析解法、有限元方法和试验方法。由于沥青路面结构的尺度及层状体材料复杂的特性，在车辆动荷载与温度耦合作用下反射裂缝的扩展难以通过室内试验进行研究。而基于断裂力学和损伤力学的解析解法难以得到裂缝扩展的解析解。有限元中的扩展有限元方法(XFEM)不仅能解决复杂结构和复杂边界条件的问题，还能分析裂缝自由扩展规律。本文采用XFEM方法对车辆动荷载与温度耦合作用下沥青路面反射裂缝扩展规律进行了分析。主要研究内容如下:
(1)利用四点弯曲疲劳试验和半圆弯曲试验分别分析了沥青混合料疲劳性能和裂缝扩展过程，求得了疲劳参数和开裂参数，为数值计算提供输入参数，并进行了相应试验的仿真计算，结果表明疲劳试验和裂缝扩展试验与仿真结果具有较好的一致性。利用XFEM方法建立了沥青混凝土小梁三点弯曲试验模型，分析了复合型裂缝扩展规律。结果与试验结果的对比表明了裂缝扩展路径、屈服荷载和屈服位移两者非常一致，进而验证了XFEM方法能够有效地模拟沥青混凝土裂缝扩展。
(2)分析了不同行驶状况下，车辆动荷载作用下含裂缝沥青路面的动态响应。建立了基层含裂缝和不含裂缝的两种沥青路面结构模型，施加了双轴车辆动荷载。基于内聚力模型，分析了层间不连续沥青路面动态响应，得出了喷洒劲度模量较小的透层沥青可以减小裂缝尖端集中应力的规律。通过施加高低胎压两种工况下的多种轴重荷载，探究了车辆重载超载作用下含裂缝沥青路面结构的响应。引入了车辆水平力系数，分析了匀速行驶、正常加速、一般制动、紧急制动等车辆多种行驶状况下沥青路面的力学响应，结果表明车辆在一般制动行驶状况下沥青路面初始裂缝尖端产生的拉应力最大。
(3)探究了在一次降温和温度循环荷载作用下沥青路面反射裂缝扩展规律。利用外界气流、太阳辐射及外界温度变化的结果建立了沥青路面温度场模型，得到了路面温度场分布规律。再利用XFEM疲劳损伤演化方程和沥青路面结构力学模型，分析了沥青路面反射裂缝在一次降温及循环降温条件下路面结构的响应、裂缝扩展速率、裂缝宽度及裂缝扩展路径的规律。同时也分析了面层底部初始裂缝长度和初始裂缝角度对反射裂缝扩展的影响，结果表明初始裂缝越长，裂缝扩展速率越快，初始裂缝角度越大，裂缝扩展速率越慢。
(4)研究了车辆动荷载与温度耦合作用下沥青路面反射裂缝扩展规律。建立了竖向荷载和水平荷载的移动车辆-温度-路系统模型，分析了路面结构内部反射裂缝扩展规律和动态响应。研究了沥青面层厚度和层间不连续路面的结构组合对反射裂缝扩展的影响，分析结果表明合理增加沥青面层厚度及喷洒小劲度模量的透层沥青均可以减缓反射裂缝的扩展。探究了重载超载车辆对反射裂缝扩展的影响规律，重载超载车辆会加速反射裂缝的扩展及增大反射裂缝宽度。
(1)利用四点弯曲疲劳试验和半圆弯曲试验分别分析了沥青混合料疲劳性能和裂缝扩展过程，求得了疲劳参数和开裂参数，为数值计算提供输入参数，并进行了相应试验的仿真计算，结果表明疲劳试验和裂缝扩展试验与仿真结果具有较好的一致性。利用XFEM方法建立了沥青混凝土小梁三点弯曲试验模型，分析了复合型裂缝扩展规律。结果与试验结果的对比表明了裂缝扩展路径、屈服荷载和屈服位移两者非常一致，进而验证了XFEM方法能够有效地模拟沥青混凝土裂缝扩展。
(2)分析了不同行驶状况下，车辆动荷载作用下含裂缝沥青路面的动态响应。建立了基层含裂缝和不含裂缝的两种沥青路面结构模型，施加了双轴车辆动荷载。基于内聚力模型，分析了层间不连续沥青路面动态响应，得出了喷洒劲度模量较小的透层沥青可以减小裂缝尖端集中应力的规律。通过施加高低胎压两种工况下的多种轴重荷载，探究了车辆重载超载作用下含裂缝沥青路面结构的响应。引入了车辆水平力系数，分析了匀速行驶、正常加速、一般制动、紧急制动等车辆多种行驶状况下沥青路面的力学响应，结果表明车辆在一般制动行驶状况下沥青路面初始裂缝尖端产生的拉应力最大。
(3)探究了在一次降温和温度循环荷载作用下沥青路面反射裂缝扩展规律。利用外界气流、太阳辐射及外界温度变化的结果建立了沥青路面温度场模型，得到了路面温度场分布规律。再利用XFEM疲劳损伤演化方程和沥青路面结构力学模型，分析了沥青路面反射裂缝在一次降温及循环降温条件下路面结构的响应、裂缝扩展速率、裂缝宽度及裂缝扩展路径的规律。同时也分析了面层底部初始裂缝长度和初始裂缝角度对反射裂缝扩展的影响，结果表明初始裂缝越长，裂缝扩展速率越快，初始裂缝角度越大，裂缝扩展速率越慢。
(4)研究了车辆动荷载与温度耦合作用下沥青路面反射裂缝扩展规律。建立了竖向荷载和水平荷载的移动车辆-温度-路系统模型，分析了路面结构内部反射裂缝扩展规律和动态响应。研究了沥青面层厚度和层间不连续路面的结构组合对反射裂缝扩展的影响，分析结果表明合理增加沥青面层厚度及喷洒小劲度模量的透层沥青均可以减缓反射裂缝的扩展。探究了重载超载车辆对反射裂缝扩展的影响规律，重载超载车辆会加速反射裂缝的扩展及增大反射裂缝宽度。