行车荷载作用下级配碎石基层沥青路面开裂及疲劳寿命分析

摘要

我国广泛使用的半刚性沥青路面在使用期间的反射开裂是困扰道路工作者的一个普遍性问题，裂缝的存在会降低道路的适用性及耐久性。用于基层的常为较优质的碎石Macadam，在国外作为减缓沥青路面反射裂缝措施获得较多利用，且较为成功，级配碎石基层基本清除了下卧半刚性基层温度缩裂，因而级配碎石基层的加入对减小干缩也很有利，然而伴随着日益繁重的交通运输任务，级配碎石基层沥青路面自上而下的开裂破坏现象经常出现。 本文在考虑级配碎石基层特性的基础上，运用断裂力学的相关理论，结合有限元方法，建立含表面裂缝的沥青路面结构的三维有限元模型，计算了级配碎石基层沥青路面表面裂缝尖端的应力强度因子，通过预测裂缝的疲劳扩展来预测沥青路面的使用寿命。 本文考虑了水平荷载与垂直荷载共同作用对于级配碎石基层沥青路面表面裂缝的影响，计算结果表明：当表面已经有微小的表面裂缝存在时，考虑水平荷载与垂直荷载共同作用计算得到的表面裂缝尖端有效应力强度因子较之只考虑垂直荷载作用时有大幅度的增加，这说明水平荷载是促使裂缝扩展的重要因素。因此，只考虑垂直荷载对于面层表面裂缝的影响是不够全面和科学的。在考虑水平荷载与垂直荷载共同作用的前提下，本文分析了面层厚度、面层模量、级配碎石基层模量、级配碎石基层厚度、底基层模量、土基模量对于沥青路面表面裂缝疲劳开裂扩展的影响，并对超载情况下的表面裂缝有效应力强度因子进行了分析。 本文运用Paris公式，采用合理的数值分析方法计算了沥青路面表面裂缝的疲劳寿命，分析了路面结构计算参数对于沥青路面表面裂缝疲劳寿命的影响，提出了相应的的建议，计算结果可以反应表面裂缝疲劳破坏的过程，为级配碎石基层沥青路面表面裂缝的防治与处理提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1荷载型表面裂缝

1.1.2非荷载型表面裂缝

1.2国内外研究概况

1.2.1级配碎石基层沥青路面概况

1.2.2级配碎石基层结构特性分析

1.3本文主要研究内容

1.4本文研究的意义

第2章断裂力学基本理论

2.1裂纹尖端的奇异场

2.2应力奇异性和应力强度因子

2.3断裂准则

2.3.1应力强度因子及其断裂准则

2.3.2能量释放率及其断裂准则

2.3.3 G与K的关系

2.4裂缝疲劳扩展理论

2.4.1裂缝疲劳扩展规律

2.4.2沥青混合料疲劳断裂参数C、n

第3章级配碎石基层沥青路面有限元模型

3.1路面结构模型

3.2交通荷载的作用形式和位置

3.2.1交通荷载的接地模式

3.2.2交通荷载的作用位置

3.3线弹性断裂问题的有限元计算方法

3.3.1有限元计算方法基本原理

3.3.2奇异单元与表面效应单元

第4章级配碎石基层沥青路面表面裂缝应力强度因子分析

4.1荷载作用分析

4.1.1.概述

4.1.2.不同荷载对于裂缝尖端有效应力强度因子的影响

4.2沥青路面结构计算参数对应力强度因子的影响

4.2.1面层厚度对应力强度因子的影响

4.2.2面层模量对应力强度因子的影响

4.2.3级配碎石基层模量对应力强度因子的影响

4.2.4级配碎石厚度对应力强度因子的影响

4.2.5底基层模量对应力强度因子的影响

4.2.6土基模量对应力强度因子的影响

4.3车辆超载时的有效应力强度因子

4.4小结

第5章沥青路面面层自上而下裂缝的疲劳特性分析

5.1疲劳破坏的相关理论

5.1.1裂缝疲劳扩展模型

5.1.2分析裂缝疲劳扩展的数值方法

5.1.3基本假定

5.2路面结构计算参数对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.2.1面层厚度对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.2.2面层模量对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.2.3级配碎石基层模量对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.2.4级配碎石厚度对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.2.5底基层模量对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.2.6土基模量对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.3超载情况下对面层自上而下裂缝疲劳寿命的影响

5.4小结

结 语

参考文献

致谢

附录A行车荷载作用下应力强度因子计算值