长大纵坡沥青路面疲劳开裂分析

摘要

随着我国交通运输业的发展，相应的网络密度的增加，西部地区的公路迎来了大发展，西部地区由于其地理、地貌的特殊性，公路在设计中出现大量长大纵坡。长大纵坡有以下特点:一是坡度较长，总长有时甚至超过四公里。二是坡度较大，平均坡度超过4％。由于长大纵坡公路的特点，往往达不到设计年限和经济效应就出现病害。
　　通过对长大纵坡沥青路面的现场调查和相关研究，发现有车辙、推移、疲劳开裂等现象严重。在长大纵坡路段，车辆行驶速度较低，延长了车辆荷载与路面的作用时间。众所周知，沥青混合料的黏弹特性，根据时温等效原理，荷载作用时间长相当于高温作用，导致沥青混凝土材料的力学特征下降明显。同时，由于坡度较大，使得路面受到的水平力比正常路段大很多，坡度越大，路面受到的水平力就会越大。另一方面裂缝的存在会使得水沿着缝隙渗入，在车辆荷载的反复作用下，形成动水压力。在这些因素的综合影响下，导致长大纵坡路段的早期破坏较为严重，因此，对长大纵坡沥青路面的研究具有重要意义。
　　本文针对长大纵坡沥青路面段主要有以下研究：
　　(1)分析长大纵坡路段的结构特点及车辆荷载的行为，常见的病害及原因分析。
　　(2)运用ABAQUS有限元软件，采取典型的沥青路面结构，建立相应的粘弹性力学模型，分析长大纵坡沥青路面在荷载作用下的动力响应。然后深入分析了不同坡度、车速及不同超载率条件下的受力状态。分析不同因素下最大剪应力的变化特征。
　　(3)在水平力和垂向力共同作用下，用ABAQUS有限元软件建立长大纵坡含表面裂缝的模型，计算应力强度因子，分析在不同层间接触状态、车速、不同坡度及超载下对应力强度因子的影响。
　　(4)通过Paris公式利用上章计算的应力强度因子，计算出相应的疲劳寿命，找到各因素对疲劳寿命的影响。
　　在以上分析内容的基础上，总结各因素对病害影响的规律，为长大纵坡沥青路面的设计、养护提供理论基础和参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 长大纵坡的界定标准

1．3 研究内容与方法

2 长大纵坡沥青路面常见病害分析

2．1 车辙病害

2．2 滑移病害

2．3 疲劳破坏

3 长大纵坡沥青路面力学响应分析

3．1 长大纵坡处车辆力学状态分析

3．1．1 长大纵坡处路面受力状态

3．1．2 车辆行驶平衡力学研究

3．2 有限元模型建立

3．2．1 粘弹性材料特点

3．2．2 粘弹性材料的力学模型

3．2．3 Burgers模型的prony级数转化

3．3 路面结构动力学有限元方程

3．4 路面有限元模型结构参数

3．5 车辆对路面的荷载作用形式

3．5．1 轮胎接触面积

3．5．2 动载系数

3．5．3 水平荷载

3．5．4 动荷载的实现

3．6 长大上坡沥青路面动力响应

3．6．1 长大上坡路段沥青路面在不同车速下的应力分析

3．6．2 不同坡度下的应力分析

3．6．3 不同载荷条件下的应力分析

3．6．4 不同层间结合下的应力分析

3．7 小结

4 长大纵坡沥青路面段表面裂缝的应力强度因子

4．1 断裂力学基本理论及其应用

4．2 断裂力学

4．3 裂缝尖端的奇异性

4．4 断裂准则

4．4．1 应力强度因子及其断裂准则

4．4．2 能量释放率及其断裂准则

4．4．3 G与K的关系

4．5 裂缝疲劳扩展理论

4．6 交通荷载的作用位置

4．7 断裂问题的有限元计算方法

4．7．1 有限元计算方法基本原理

4．7．2 奇异单元与表面效应单元

5 沥青路面面层裂缝的疲劳特性分析

5．1 层间接触状态对应力强度因子的影响

5．2 超载对应力强度因子的影响

5．3 坡度对应力强度因子的影响

5．4 车速对应力强度因子的影响

5．5 小结

6 长大纵坡沥青路面疲劳寿命分析

6．1 疲劳破坏的相关理论

6．1．1 裂缝疲劳扩展模型

6．1．2 分析裂缝疲劳扩展的数值方法

6．1．3 基本假定

6．2 不同工况下对裂缝疲劳寿命的影响

6．3 层间接触状态对面层裂缝疲劳寿命的影响

6．4 超载对裂缝疲劳寿命的影响

6．5 坡度对裂缝疲劳寿命的影响

6．6 车速对裂缝疲劳寿命的影响

6．7 小结

7 结论

7．1 主要结论

7．2 进一步研究建议

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果