大粒径沥青碎石缓解层沥青路面结构分析

论文摘要

基层分为柔性基层、半刚性基层及刚性基层三种。半刚性基层具有整体强度高、板体性好、承载力强且便于取材等优点,但其自身收缩裂缝及引起的沥青面层反射裂缝难以避免。刚性基层沥青路面具有整体性好、承载力高、抗冲刷性强、路面柔顺、易维修等特点,但刚性基层刚度大,易温缩、干缩而产生开裂,该路面结构中同样存在沥青面层反射裂缝问题。因此,有必要开展设置裂缝缓解层的抗反射裂缝措施的相关研究,探索沥青路面新结构。本文主要进行了以下三个方面的研究工作:(1)根据路面断裂力学基本理论与二维有限元方法,对设置开级配大粒径沥青碎石(OLSM)缓解层的沥青路面反射裂缝扩展路径进行了数值模拟。(2)应用三维有限元方法,对设置OLSM缓解层的沥青路面车辆荷载应力、温度应力及耦合应力进行了力学分析。(3)通过对设置OLSM缓解层和普通AC缓解层的沥青路面结构进行耦合应力对比分析,探讨了OLSM缓解层的防裂机理。研究表明:在轮载与温度共同作用下,沥青路面反射裂缝并非直线向上扩展,而是呈“之”字形向上延伸;尤其是在OLSM缓解层中,当裂缝扩展遇到孔隙时,其扩展路径被孔隙所阻隔而愈呈“之”字形;裂缝向上扩展的“之”字形路径曲折程度取决于OLSM缓解层的厚度、空隙率、孔的形状及其分布形式等因素,裂缝扩展路径愈曲折,裂缝自下而上扩展至沥青面层顶部的时间越长,从而延长了路面使用寿命。轴载、OLSM缓解层厚度、沥青混凝土面层厚度是车辆荷载应力的主要影响因素;降温幅度、OLSM缓解层模量、厚度及空隙率、沥青混凝土面层模量及厚度是温度应力的主要影响因素;降温幅度、OLSM缓解层厚度、沥青混凝土面层厚度是耦合应力的主要影响因素。OLSM中大粒径矿料多、沥青含量少及空隙率大,这种多空隙结构可有效阻断裂缝尖端的扩展路径,削弱拉应力和拉应变的传递能力,从而消散和吸收路面结构应力。此外,OLSM收缩系数较小,其大粒径和多空隙结构具有较大的塑性变形能力,可充分吸收裂缝释放的应变能,减小路面结构裂缝处的应力集中现象,从而延缓反射裂缝向上扩展的速度。OLSM缓解层的防裂效果显著优于普通AC缓解层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 存在的主要问题
• 1.3 本文研究的主要内容及技术路线
• 1.3.1 主要内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 不同结构组合的沥青路面断裂破坏机理
• 2.1 反射裂缝的产生和扩展机理
• 2.1.1 反射裂缝的产生机理
• 2.1.2 反射裂缝的扩展模式
• 2.2 路面断裂力学基本理论
• 2.2.1 裂缝扩展的三种基本形式
• 2.2.2 裂缝尖端的应力场
• 2.2.3 应力强度因子理论
• 2.2.4 J 积分
• 2.2.5 断裂韧度与断裂准则
• 2.2.6 复合型裂纹的线弹性断裂
• 2.3 应用疲劳断裂力学分析反射裂缝问题
• 2.3.1 疲劳裂缝扩展速率
• 2.3.2 疲劳裂缝扩展寿命
• 2.4 裂缝扩展的有限元数值模拟
• 2.4.1 裂缝扩展模拟的有限单元法
• 2.4.2 通用有限元软件ABAQUS
• 2.5 本章主要结论
• 第三章 设置OLSM 缓解层的沥青路面反射裂缝扩展路径数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 反射裂缝扩展路径模拟
• 3.2.1 计算模型与参数
• 3.2.2 含裂缝体有限元网格的划分
• 3.2.3 反射裂缝的扩展
• 3.3 设置OLSM 缓解层的沥青路面裂缝扩展路径分析
• 3.3.1 设置OLSM 缓解层的沥青路面结构组合
• 3.3.2 反射裂缝初始裂缝扩散角
• 3.3.3 反射裂缝扩展路径
• 3.4 路面疲劳寿命预测
• 3.5 本章主要结论
• 第四章 设置OLSM 缓解层的沥青路面车辆荷载应力分析
• 4.1 设置OLSM 缓解层的沥青路面结构类型
• 4.2 轮胎-沥青路面交互作用
• 4.3 沥青路面车辆荷载应力有限元计算模型与参数
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 计算参数
• 4.4 OLSM 缓解层车辆荷载应力的参数影响分析
• 4.4.1 轴载
• 4.4.2 基础模量
• 4.4.3 贫混凝土基层
• 4.4.4 OLSM 缓解层
• 4.4.5 沥青混凝土面层
• 4.5 本章主要结论
• 第五章 设置OLSM 缓解层的沥青路面温度应力及耦合应力分析
• 5.1 路面温度场计算基本理论
• 5.2 沥青路面温度应力有限元计算模型与参数
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算参数
• 5.3 路面结构温度场计算
• 5.4 OLSM 缓解层温度应力的参数影响分析
• 5.4.1 温度变化幅度
• 5.4.2 基础模量
• 5.4.3 贫混凝土基层
• 5.4.4 OLSM 缓解层
• 5.4.5 沥青混凝土面层
• 5.5 轮载与温度共同作用下OLSM 缓解层耦合应力的参数影响分析
• 5.5.1 温度变化幅度
• 5.5.2 基础模量
• 5.5.3 贫混凝土基层
• 5.5.4 OLSM 缓解层
• 5.5.5 沥青混凝土面层
• 5.6 设置OLSM 缓解层的沥青路面防裂机合分析
• 5.6.1 轮载与温度共同作用下路面结构的热-荷载耦合应力对比分析
• 5.6.2 OLSM 缓解层防裂机理
• 5.7 本章主要结论
• 第六章 主要结论和进一步研究的问题
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢