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| 长大纵坡沥青路面疲劳开裂分析 摘要 随着我国交通运输业的发展，相应的网络密度的增加，西部地区的公路迎来了大发展，西部地区由于其地理、地貌的特殊性，使其公路在设计中出现大量长大纵坡。长大纵坡有以下特点：一是坡度较长，总长有时甚至超过四公里。二是坡度较大，坡度超过2%。由于长大纵坡公路的特点，往往达不到设计设计年限和经济效应就出现病害。 通过对长大纵坡沥青路面的现场调查和相关研究 ，结合其特点发现有车辙、推移、疲劳开裂等现象严重。由于在长大纵坡路段，车辆行驶速度较低较正常路段下降很多，延长了车辆荷载与路面的作用时间，车速会降到设计时速的一半以下，对于超载的货车车速下降更为严重。众所周知，沥青混合料的黏弹特性，其力学特性受荷载的作用时间影响较大，根据时温等效原理，荷载作用时间长相当于高温作用，沥青混凝土材料的力学特征下降明显。同时，由于坡度的存在，车辆在上下坡时会频繁的加速和刹车，使得路面受到的水平力比正常路段大很多，坡度越大，路面受到的水平力就会越大。另一方面裂缝会使得水沿着缝隙渗进基层，在车辆的反复作用下，造成动水压力，破坏路基结构，产生翻浆冒泥，加速裂缝疲劳扩展，沥青路面因此早期病害更加严重。 本文针对长大纵坡沥青路面段主要有以下研究（1）分析长大纵坡路段的结构特点及车辆荷载的行为，常见的病害及原因分析。（2）运用ABAQUS有限元软件，采取典型的沥青路面结构，建立相应的粘弹性力学模型，分析长大纵坡沥青路面在双轴动荷载作用下的动力响应，并分析了不同坡度、车速及不同超载率条件下的受力状态。（3）在水平力和垂向力共同作用下，用ABAQUS有限元软件建立长大纵坡含表面裂缝的模型，计算应力强度因子，分析在不同层间接触状态、车速、不同坡度及超载下对应力强度因子的影响。（4）通过Paris公式利用上章计算的应力强度因，计算出相应的疲劳寿命，找到各因素对疲劳寿命的影响。 关键词：长大纵坡；沥青路面；有限元；应力强度因子；疲劳寿命 目录 摘要 I Abstract II 目录 IV 1绪论 1 1.1研究背景及意义 1 1.2国内外研究文献 1 1.2.1国外研究现状 1 1.2.2国内研究现状 2 1.3研究内容及方法 4 1.3.1研究内容 4 1.3.2研究思路 4 2长大纵坡沥青路面的特点病害研究 5 2.1车辙病害特点与原因分析 5 2.2滑移病害特点与原因分析 5 2.3疲劳破坏 6 3长大纵坡沥青路面力学分析 7 3.1长大纵坡处车辆力学状态分析 8 3.1.1长大纵坡处路面受力状态 8 3.1.2车辆行驶平衡力学研究 9 3.1.3长大纵坡路段水平和垂直荷载 10 3.2有限元模型建立 10 3.2.1粘弹性材料特点 10 3.2.2 粘弹性材料的力学模型 11 3.3路面结构有限元模型的基本假设 15 3.4路面结构动力学有限元方程 16 3.5路面有限元模型结构参数 17 3.6车辆对路面的荷载作用形式 19 3.6.1轮胎接触面积 19 3.6.2动载系数 20 3.6.3水平荷载 20 3.6.4动荷载的实现 21 4长大上坡沥青路面动力响应 21 4.1长大上坡沥青路面动力响应规律 21 4.2 不同影响因素下的沥青路面应力分析 25 4.2.1长大上坡路段沥青路面在不同车速下的应力分析 25 4.3.2不同坡度下的应力分析 26 4.3.3不同载荷条件下的应力分析 27 5 长大纵坡沥青路面段表面裂缝的应力强度因子 28 5.1断裂力学基本理论及其应用 28 5.2断裂力学 28 5.3 裂缝尖端的奇异性和SIF 32 5.4断裂准则 32 5.4.1 SWF及其断裂准则 32 5.4.2能量释放率及其断裂准则 33 5.4.3 G与K的关系 35 5.5裂缝疲劳扩展理论 35 5.5.1裂缝疲劳扩展规律 35 5.5.2沥青混合料疲劳断裂参数C,n 36 5.6交通荷载的作用位置 37 5.7断裂问题的有限元计算方法 38 5.7.1有限元计算方法基本原理 38 5.7.2奇异单元与表面效应单元 40 6沥青路面面层自上而下裂缝的疲劳特性分析 43 6.1层间接触状态对应力强度因子的影响 43 6.2超载对应力强度因子的影响 45 6.3坡度对应力强度因子的影响 47 6.4车速对应力强度因子的影响 49 6.5小结 50 7长大纵坡沥青路面疲劳寿命分析 51 7.1疲劳破坏的相关理论 51 7.1.1裂缝疲劳扩展模型 51 7.2 不同工况下对裂缝疲劳寿命的影响 54 7.3层间接触状态对面层Top-down裂缝疲劳寿命的影响 54 7.4 超载对对Top-Down裂缝疲劳寿命的影响 55 7.5坡度对Top-Down裂缝疲劳寿命的影响 56 7.6 车速对Top-Down裂缝疲劳寿命的影响 57 7.7 小结 58 结论 59 致谢 61 参考文献 62 |
