水泥混凝土路面开裂机理及破坏过程研究

摘要

该文在已有研究成果的基础上通过广泛调研,结合作者近几年来主持或参加的有关水泥混凝土路面研究课题的部分成果,在路面基层的各种性能得到保障的前提下,通过理论研究和试验研究,得出路面板的开裂破坏过程分为三个阶段,即初始裂缝形成阶段、裂缝累积和扩展阶段以及路面断裂破坏阶段.该文采用非线性科学理论(如混沌、分形等)来解释路面裂缝生成和扩展的机理和过程,从总体上对开裂和破坏的全过程加以描述,为水泥混凝土路面的开裂机理和破坏过程研究提供一种新的思路和方法.该文的创新点主要表现在以下几个方面:1.通过对路面板底界面开裂、路面板中裂缝积聚、扩展和路面表面车板相互作用及其对路面疲劳破坏的影响等三个层面的研究和分析,首次提出水泥混凝土路面的开裂和破坏过程可以分为三个阶段,即路面板底初始损伤和早期裂缝的形成阶段、使用期间荷载作用对路面造成的开裂损伤累计、加剧和裂缝扩展阶段以及路面断裂破坏阶段.2.提出了路面板与基层之间的层间结合关系和六种结合模式,并根据断裂力学的基本原理提出了路面板在早期凝结过程中,在面层与基层之间形成薄弱过渡层.3.综合利用损伤力学和断裂力学的基本原理分析提出,水泥混凝土路面板早期凝固过程中形成大量的微小缺陷而构成初始的损伤场.4.在已有理论分析的基础上,通过试验研究验证了由于路面不平整引起的车板相互作用产生的动态响应与路面表面平整状况、车速之间的关系,并分析计算了这种动态响应对路面疲劳破坏产生的严重影响,从另一角度解释了水泥混凝土路面往往在低应力水平状态下远未达到设计使用年限即出现破坏的真正原因.5.通过理论和试验研究,进一步定量分析和验证了荷载作用下路面裂缝的扩展过程可以用混沌方程、分形理论和渗流模型等非线性理论加以描述.6.在上述分析研究的基础上,针对性地提出了处理路面板与基层的层间界面从而降低路面板早期收缩应力的技术措施,以及用硅灰和聚合物作为外掺料以提高路面混凝土抑制裂缝扩展的能力等技术措施,并对其有效性进行了试验论证.

目录

文摘

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第1章绪论

1.1本课题研究的背景、目的和意义

1.1.1水泥混凝土路面的结构特征

1.1.2研究路面开裂机理及破坏过程的目的和意义

1.2本课题研究的现状分析

1.2.1路面结构与材料的研究

1.2.2关于车板相互作用及其影响的研究

1.2.3相关路面计算理论与设计方法的研究

1.2.4非线性理论及其在水泥混凝土路面中的应用研究

1.3研究思路、研究内容及目标

1.3.1研究思路

1.3.2主要研究内容

1.3.3拟达到的目标

第2章水泥混凝土路面初始裂缝形成及其影响研究

2.1水泥路面层间结合关系的描述

2.1.1面层与基层之间层间结合模式及其影响

2.1.2水泥混凝土路面层间结合的实际状态与过渡层的形成

2.1.3路面板底微裂缝形成机理的定性描述

2.2路面板底微裂缝形成机理的定量分析

2.2.1路面板底界面收缩应力计算模型

2.2.2路面板底的应力和强度之比较

2.3板底早期裂缝对混凝土路面疲劳破坏的影响分析

2.3.1理论分析

2.3.2试验论证

2.4本章小结

第3章水泥混凝土路面裂缝扩展机理研究

3.1传统理论分析水泥混凝土路面疲劳破坏机理的局限性

3.2运用断裂力学原理分析裂缝扩展的机理

3.2.1断裂力学的基本原理

3.2.2水泥混凝土路面裂缝的断裂力学分析模型

3.2.3运用有限元法计算应力强度因子

3.2.4运用理论公式计算水泥混凝土路面板应力强度因子

3.2.5数据分析与结论

3.3基于损伤力学原理分析水泥混凝土路面的损伤机理

3.3.1损伤力学的基本原理

3.3.2水泥混凝土路面板中初始损伤的形成及其分布规律

3.3.3水泥混凝土路面板损伤的演变规律

3.3.4基于损伤力学的原理分析路面裂缝扩展的机理

3.4车辆荷载反复作用下路面累积损伤与断裂韧度下降

3.5路面板裂缝扩展的机理综述及防治措施研究

3.5.1水泥混凝土路面板裂缝扩展的机理综述

3.5.2水泥混凝土路面板裂缝扩展的防治措施研究

3.5本章小结

第4章路面不平整引起的车板相互作用对水泥混凝土路面破坏的影响

4.1概述

4.2动荷载作用下路面板底挠度和应变分析

4.2.1理论计算分析

4.2.2示例分析

4.3路面平整度与路面板底动应变的关系分析

4.3.1国际平整度及其数学求解

4.3.2 IRI与路面板底动应变的关系

4.4试验研究与分析

4.4.1试验概况

4.4.2路面平整度测量方法

4.4.3测试结果与分析

4.5表面不平整对路面疲劳寿命的影响及防治措施研究

4.5.1表面不平整对路面疲劳寿命的影响研究

4.5.2防治措施的研究

4.6本章小结

第5章水泥混凝土路面开裂损伤的非线性描述

5.1混沌与分形的原理

5.2水泥混凝土路面开裂损伤过程的分形描述

5.2.1水泥混凝土路面开裂损伤过程的分形特征

5.2.2水泥混凝土路面开裂损伤分维数与弯拉应力之间的关系

5.2.3水泥混凝土路面疲劳损伤和破坏过程的分形特征

5.3运用混沌方程描述裂缝扩展的过程

5.4运用渗流模型描述水泥混凝土路面裂缝扩展的过程

5.5本章小结

第6章水泥混凝土路面的抗裂措施综述

6.1减少水泥混凝土路面的缺陷

6.2提高水泥混凝土路面的韧度

6.3减小水泥混凝土路面板早期的收缩应力

6.4减小水泥混凝土路面板的荷载应力

6.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果