旧水泥路面沥青加铺层疲劳寿命预估方法研究

摘要

目前,中国有许多水泥混凝土路面需要进行修复,与沥青路面相比,水泥混凝土路面修复相对困难,并对交通有较大的影响,而加铺沥青面层有方法简单,工期短、造价低、对交通影响小、修复后的路面服务性能好等优点,因此近年来得到广泛的应用.但往往由于原水泥混凝土板在温度和交通荷载作用下产生变形,造成沥青混凝土加铺层在原接缝(裂缝)处反射开裂,环境因素的负面影响(雨水和氧化等)使得裂缝迅速向四周扩展,从而引起沥青混凝土加铺层新的病害(龟裂、块裂、坑洞等),这样不但减少了加铺层的使用寿命,而且造成经济效益的损失.故控制与防治反射裂缝已成为加铺层设计的重点.由于中国目前还没有相应的设计规范,使这种路面的设计带有经验性,缺乏科学的理论和依据.该文以水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层结构为主要研究对象,以线弹性断裂力学原理与方法为指导,采用有限元分析方法,对路面结构的疲劳寿命进行了预估.沥青混凝土加铺层疲劳寿命N的预估,拟按反射裂缝产生前和反射裂缝扩展两个阶段分分别计算.反射裂缝产生前,用传统疲劳公式来预估裂缝形成寿命Ni(initiation),反射裂缝扩展过程中,用Paris公式来预估其寿命Np(propagation).显然,N=Ni+Np.首先,根据线弹性断裂力学的原理计算扩展裂缝尖端的应力强度因子.然后通过对结果的分析,得出一些设计参数(沥青混凝土加铺层的厚度、模量,水泥混凝土的厚度、模量,基层顶面当量回弹模量、嵌锁模量)对其影响的规律,并拟合它们与应力强度因子的关系式.最后,根据应力强度因子得出路面结构的疲劳寿命,为路面设计和工程应用提供了理论依据和参考.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1立项的背景及其意义

1.2国内外的研究概况

1.2.1反射裂缝的研究概况

1.2.2加铺层设计方法的研究概况

1.3本文的主要研究内容

第二章有限元计算方法

2.1等参八节点单元

2.2界面单元

2.3奇异等参单元(1/4边中点法)

2.4有限元计算的Visual Fortran实现

2.4.1计算步骤与程序流程图

2.4.2单元网格划分

2.4.3有限元程序的有效性验证

第三章应力强度因子及其影响因素

3.1断裂力学概述

3.2应力强度因子的计算

3.3力学分析模型的建立

3.3.1计算图式与基本假设

3.3.2计算参数的选取

3.4沥青加铺层裂缝尖端的应力场和矢量场

3.5影响沥青加铺层应力强度因子的因素分析

3.5.1不同裂缝长度时介质模量对裂缝尖端应力强度因子的影响(Et=100MPa)

3.5.2不同裂缝长度时基础顶面当量回弹模量对应力强度因子的影响(E=0.01 MPa)

3.5.3介质模量和基础顶面当量回弹模量对应力强度因子的综合影响(u=0.2)

3.5.4沥青加铺层厚度对应力强度因子的影响

第四章应力强度因子公式的回归

4.1裂缝尖端应力强度因子的理论解

4.2无量纲应力强度因子

4.3无量纲应力强度因子的回归公式

第五章基于断裂力学的沥青加铺层疲劳寿命预估

5.1开裂前疲劳寿命(Ni)的预估

5.2开裂后(扩展阶段)疲劳寿命(Np)的预估

5.3疲劳寿命作用次数N

5.4旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计

第六章结语

6.1主要研究成果

6.2进一步研究的问题和展望

参考文献

致谢

附录A

附录B