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沥青路面裂纹扩展数值与试验研究

李鹏辉  
【摘要】: 沥青路面施工周期短、行车舒适,是高等级路面的主要形式。目前,国内高等级公路采用沥青路面型式主要包括半刚性基层沥青路面和水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层两类。沥青路面的开裂破坏是世界各国普遍碰到的问题,沥青路面的主要破坏形式包括:疲劳开裂、车辙和温度开裂。开展沥青路面裂纹形成机理及裂纹扩展行为的研究可以更加全面地评价路面的力学行为,明确裂纹扩展时的应力状态和扩展路径,进一步理解路面损伤与早期破损的机理,并为路面工程师提供沥青路面设计与养护指导,对于促进我国公路交通基础设施的健康发展具有特别重要的意义。 考虑路面温度场和交通荷载的情况下,讨论了断裂力学问题中应力强度因子的计算方法,并证明了六结点三角形和八结点四边形两种奇异等参单元的构造方法。分析了裂纹尖端的奇异场,并讨论了复合裂纹的断裂准则和扩展长度的问题。 根据断裂力学原理,编制了二维ANSYS有限元程序,模拟温度荷载和交通荷载下沥青小梁的裂纹扩展。同时在INSTRON1341材料试验系统下进行沥青小梁的疲劳试验,得出沥青小梁的裂纹路径并与有限元程序的结果进行对比,得到I型加载(张拉荷载)是裂纹扩展的主要动力,II型加载(剪切荷载)使裂纹发生偏移,影响起裂的角度的结论。 断裂力学和有限元方法的结合为解决沥青路面裂纹扩展问题提供了有效的办法。编制裂纹扩展路径的程序和进行沥青混合料的疲劳试验研究对认识和理解沥青路面结构的破坏及早期破损的机理有着重要的理论和实际工程价值。


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