柔性基层沥青路面Top-Down开裂机理研究

论文摘要

针对柔性基层沥青路面Top-Down裂缝,结合我国柔性基层沥青路面的工程实践,对轮胎-路面交互作用下的柔性基层沥青路面结构进行力学分析,研究其受力状况和温度状况,揭示沥青路面Top-Down开裂机理,探讨减缓Top-Down开裂的措施与方法。研究子午线轮胎的构造和传力机制,根据实际轮胎-路面接触应力,将接触区域简化为五个长度和宽度一定的矩形区域,结合子午线轮胎“泊松效应”,将轮胎-路面接触应力简化为垂直、横向和纵向接触应力,采用有限元软件ABAQUS,建立三维非线性轮胎-路面三向接触应力有限元模型,计算及分析表明:柔性基层沥青路面的受力机制导致其容易产生Top-Down开裂;面层厚度大于15cm,面层基层模量比大于4的路面结构,有助于减缓Top-Down开裂;轮组数量多、负载小、胎压介于0.6-0.8MPa的行车荷载,可以减缓Top-Down开裂的发生和发展;层间接触状况良好的路面结构,整体受力,有利于力的传递,可降低Top-Down开裂的几率,并运用数理统计方法,分析不同因素对Top-Down开裂影响的显著性。以柔性基层沥青路面的横断面作为研究对象,采用ABAQUS有限元程序,建立沥青面层预含不同深度Top-Down初始裂缝的二维有限元模型,研究不同降温幅度对沥青面层的力学影响,结果表明:轮胎-路面反复作用后存在微裂纹的沥青路面,在急剧的降温及升温循环过程中可能导致面层产生Top-Down裂缝;在降温过程中,路面结构不同深度处,路表应力最大,随着深度的增加,Mises应力和拉应力逐渐减小;初始裂缝深度越长,降温过程中应力强度因子KI越大,也就越容易开裂;随着降温幅度的增加,拉应力、应力强度因子KI均迅速增加,Top-Down裂缝的发展速度也就越快。综合轮胎-路面接触应力、温度、路面结构和材料特性,可以得出:荷载型裂缝开裂初期呈现V字形,裂缝竖直向下发展,这是路表拉应力反复作用下的第一阶段I型张开型疲劳裂缝。第二阶段,裂缝发展至路表下5-10cm左右后与竖直方向成一定角度斜向发展,这是由于剪应力随着深度的增加逐渐增加,在路表下5-10cm处出现最大值,这时剪应力成为Top-Down发展的主要诱因,所以第二阶段为II型剪切型裂缝;温度应力引发的是I型张开型裂缝。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 研究的主要内容和技术路线
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 第二章 路面断裂力学基本原理
• 2.1 路面断裂力学基本理论
• 2.1.1 裂缝扩展的三种基本形式
• 2.1.2 裂缝尖端的应力场
• 2.1.3 应力强度因子理论
• 2.1.4 J 积分
• 2.1.5 断裂韧度与断裂准则
• 2.1.6 复合型裂纹的线弹性断裂
• 2.2 应用疲劳断裂力学分析TOP-DOWN 裂缝问题
• 2.2.1 疲劳裂缝扩展速率
• 2.2.2 疲劳裂缝扩展寿命
• 2.3 开裂的有限元数值模拟
• 2.3.1 裂缝扩展模拟的有限单元法
• 2.3.2 通用有限元软件ABAQUS 简介
• 2.4 小结
• 第三章 轮胎-沥青路面交互作用
• 3.1 轮胎-路面接触压力的计算与测量
• 3.1.1 轮胎-路面接触压力的数值计算
• 3.1.2 轮胎-路面接触压力的试验测量
• 3.2 轮胎类型和结构
• 3.3 轮胎-路面接触区域
• 3.4 轮胎-路面接触应力分布
• 3.4.1 轮胎-路面垂直接触应力
• 3.4.2 轮胎-路面横向接触应力
• 3.4.3 轮胎-路面纵向接触应力
• 3.5 小结
• 第四章 不同路面结构对沥青路面TOP-DOWN 开裂的影响
• 4.1 概述
• 4.2 轮胎-路面接触效应有限元分析
• 4.2.1 计算模型与计算参数
• 4.2.2 有限元模型
• 4.3 三向轮胎应力作用下的路面结构力学响应
• 4.3.1 路面力学响应对Top-Down 开裂的影响
• 4.3.2 不同路面结构下沥青路面力学响应比较
• 4.4 小结
• 第五章 不同参数对沥青路面TOP-DOWN 开裂的影响
• 5.1 概述
• 5.2 不同轮组数量下的沥青路面力学响应对比
• 5.3 相同负载、不同胎压轮胎作用下的沥青路面力学响应对比
• 5.4 相同胎压、不同负载轮胎作用下的沥青路面力学响应对比
• 5.5 不同面层厚度下沥青路面力学响应对比
• 5.6 不同基层厚度下沥青路面力学响应对比
• 5.7 面层/基层模量比对沥青路面力学响应的影响
• 5.8 层间接触状况对沥青路面力学响应的影响
• 5.9 不同参数影响的显著性分析
• yz 的影响显著性分析'>5.9.1 不同参数对剪应力σ_yz的影响显著性分析
• 5.9.2 不同参数对Mises 应力的影响显著性分析
• zz 应力的影响显著性分析'>5.9.3 不同参数对拉应力σ_zz应力的影响显著性分析
• 5.10 小结
• 第六章 变温过程对沥青路面TOP-DOWN 开裂的影响
• 6.1 概述
• 6.2 计算工况
• 6.2.1 路面结构尺寸
• 6.2.2 有限元网格划分
• 6.3 沥青路面开裂指标
• 6.3.1 静强度理论指标
• 6.3.2 断裂理论指标
• 6.4 断裂力学的有限元实现
• 6.5 路面温度场及其有限元实现
• 6.5.1 温度场基本理论
• 6.5.2 温度场模拟
• 6.6 沥青路面低温TOP-DOWN 开裂有限元模拟分析
• 6.6.1 降温过程沥青面层应力分析
• 6.6.2 降温过程沥青面层断裂力学分析
• 6.6.3 不同降温幅度沥青面层应力分析
• 6.7 小结
• 第七章 柔性基层沥青路面TOP-DOWN 开裂机理及防治措施
• 7.1 柔性基层沥青路面TOP-DOWN 开裂机理分析
• 7.1.1 柔性基层Top-Down 裂缝的形状及几何尺寸
• 7.1.2 柔性基层Top-Down 裂缝的成因机理分析
• 7.2 柔性基层沥青路面TOP-DOWN 开裂的防治措施
• 7.3 小结
• 主要结论及进一步的建议
• 1 主要结论
• 2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢