基于离散元法的沥青路面开裂仿真研究

摘要

沥青路面是由不同材料组成的多层结构体系，各结构层材料的特性直接影响到整个路面结构的受力性能和使用性能。路面开裂是沥青路面的主要破坏形式之一，有的是面层直接开裂，有的是基层开裂反射到面层导致开裂。路面各结构层是典型的多相复合材料，其骨料的颗粒形状及分布形态、骨料间的粘结状态等对路面开裂都有一定的影响。本文运用离散元PFC2D，采用非线性模型定义颗粒之间的接触，在细观层次上开展数值计算，模拟沥青路面在车辆荷载作用下结构内部裂缝的产生和扩展趋势，同时监测相应位置处力学状态的改变，分析裂缝的开展原因与研究解决方法。　　建立了路面结构离散元分析模型。首先根据沥青面层、级配碎石基层和水泥稳定类基层各自的材料特点，为其颗粒之间选择合适的接触模型。然后通过单轴压缩、劈裂和双轴压缩试验对模型的细观参数进行标定，为离散元模型提供接触模型参数。最后以沥青面层厚度为单一变量，建立三组半刚性基层沥青路面模型；以沥青面层厚度和级配碎石基层厚度为控制变量，建立六组级配碎石基层半刚性底基层沥青路面模型。每组路面模型长度都为2m，模拟道路纵向的一段，在水泥稳定类基层中预设裂缝代表收缩裂缝，按照偏载方式布置车辆荷载，在面层与基层交界面处设置测量圆，监测并记录荷载作用下的相关力学响应。　　对比分析了车辆荷载下不同路面结构裂缝的形成及扩展规律。半刚性基层沥青路面模型中，预设裂缝由尖端向面层延伸扩展，形成斜向加载板方向开展的反射裂缝。随着面层厚度的增加，反射裂缝发展趋势减缓，模型中细观裂缝总量减少，预设裂缝尖端处应力的集中程度削弱，水平应力、竖向应力和剪切应变峰值降低。沥青面层厚度相同的级配碎石基层半刚性底基层沥青路面模型中，反射裂缝数量减少，分布位置相对离散，结构内部的裂缝总量较多，并随级配碎石基层厚度增加而增加，沥青面层的疲劳损坏程度加重。同时，基层厚度增加，预设裂缝正上方面层与基层交界面处的竖向应力峰值降低，衰减幅度增大，应力集中程度削弱。　　以两种试验路结构为工程依托，进行弯沉检测、承载板检测和钻芯取样，发现车辆荷载作用下，半刚性基层沥青路面中横向反射裂缝开展严重。级配碎石基层半刚性底基层沥青路面中未见反射裂缝，但是沿行车方向出现纵向裂缝。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 反射裂缝形成机理

1.2.2 级配碎石夹层的作用机理及优势

1.2.3 国外研究现状

1.2.4 国内研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.2 技术路线

1.4 本章小结

2 离散元法基本原理及功能介绍

2.1 离散元法基本思想和假设

2.1.1 离散元法的基本思想

2.1.2 离散元法的基本假设

2.2 离散元法本构模型

2.2.1 接触刚度模型

2.2.2 滑动模型

2.2.3 粘结模型

2.3 离散元法阻尼机制

2.3.1 局部阻尼

2.3.2 粘性阻尼

2.4 离散裂隙网络

2.5.1 加载方式

2.5.2 消除浮点颗粒

2.6 本章小结

3 路面结构细观参数标定

3.1 路面结构材料参数

3.1.2 水泥稳定类半刚性基层材料参数

3.1.3 级配碎石夹层材料参数

3.2 接触模型细观参数标定规律

3.2.1 接触粘结模型细观参数标定规律

3.2.2 平行粘结模型细观参数标定规律

3.2.3 混合模型细观参数标定规律

3.2.4 加载速率对材料力学参数影响规律

3.3 路面结构模型细观参数标定

3.3.1 沥青面层模型细观参数

3.3.2 平行粘结模型中细观参数对宏观特性影响

3.3.3 水泥稳定类基层模型细观参数

3.3.4 级配碎石层模型细观参数

3.4 本章小结

4 沥青路面离散元模型的构建与分析

4.1车辆荷载作用形式

4.1.1车辆轮胎与路面接触面形式

4.1.2 车辆荷载加载方式

4.2 沥青路面离散元模型构建

4.2.1半刚性基层沥青路面模型构建

4.2.2 级配碎石基层半刚性底基层沥青路面模型构建

4.3 离散元仿真结果分析

4.3.1 半刚性基层沥青路面离散元模拟结果分析

4.3.2 级配碎石基层半刚性底级配碎石基层沥青路面离散元模拟结果分析

4.4 本章小结

5 工程案例

5.1.2级配碎石混合料材参数

5.1.3试验路试验分析

5. 2 半刚性基层沥青路面试验路

5.2.1工程概况

5.2.2试验路试验分析

5. 3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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