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《中南大学》 2003年
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交通荷载下沥青类路面疲劳损伤开裂研究

周志刚  
【摘要】: 疲劳开裂是沥青类路面(主要为半刚性基层沥青路面与水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层结构)的主要破坏形式。其实质是沥青结构层在交通荷载循环作用下内部逐渐出现损伤劣化形成宏观裂缝的过程。传统的疲劳力学只能反映结构层出现疲劳裂缝前的阶段。而对于半刚性基层反射裂缝和旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层接缝(裂缝)开裂,研究发现,沥青结构层的疲劳寿命主要为裂缝扩展阶段的寿命,此时不应采用传统的疲劳力学进行研究和结构层设计,而应采用疲劳破坏力学(疲劳断裂力学和疲劳损伤力学)理论与方法。作为一门新兴的破坏力学学科分支,疲劳损伤力学能全面地反映材料和结构出现疲劳裂缝和裂缝发展过程。应用疲劳损伤力学理论与方法研究沥青类路面疲劳破坏,有助于揭示沥青类路面疲劳破坏机制和各类抗裂措施(如加筋)的抗裂机理,在此基础上提出相应的抗裂设计方法。本文应用疲劳损伤力学理论与方法对沥青混合料的疲劳损伤特性、沥青类路面疲劳破坏以及旧水泥混凝土路面沥青混凝土疲劳寿命预测进行了系统的研究。 本文第一部分,针对沥青混合料的疲劳损伤特性建立合理的疲劳损伤模型和提出实用有效的计算方法。 首先直接采用一种常用的疲劳损伤演化模型和经典损伤理论,分别对直接拉伸、悬臂梁弯曲、梁式试件三点弯曲和APA往返轮载等多种疲劳试验开展疲劳损伤分析,针对每类试验均建立了相应的疲劳损伤模型和疲劳损伤计算方法。将疲劳损伤分析结果与相应的疲劳试验结果(主要为疲劳寿命)进行对比,论证了所提出的沥青混合料疲劳损伤模型的合理性和有效性,并得到相应的沥青混合料疲劳损伤特性参数。 关于直接拉伸、悬臂梁弯曲、三点弯曲和往返轮载(APA)等疲劳试验的试件所开展的疲劳损伤分析发现,试验方法不同,其疲劳损伤破坏规律不同。主要表现在疲劳裂缝起裂阶段和扩展阶段的疲劳寿命各自在试件总疲劳寿命中所占比重不同。尽管如此,不论对哪种疲 劳试验,其试件疲劳裂缝扩展主要表现为稳定扩展,可以运用 Par i s 公式描述疲劳裂纹扩展阶段,并利用疲劳损伤数值模拟计算结果和裂 缝扩展过程中的应力强度因子回归了疲劳裂缝扩展速率公式中的疲 劳断裂参数。 本文应用沥青路面分析仪uPA)对沥青混凝土梁式试件进行多 种荷载水平下的往返轮载疲劳试验,研究沥青混凝上的疲劳性能,并 对比土工布、玻璃纤维格栅的加筋效果。试验结果表明,这些加筋措 施能将沥青混凝土梁式试件疲劳寿命延长约1倍以上。同时,关于 APA粱式试件疲劳损伤断裂过程的模拟分析发现,由于APA梁式试件 两侧的侧向约束,在试件内产生一种所谓的拱形效应,导致APA试件 断裂现象不显著。 本文第二部分,对半刚性基层裂缝扩展至沥青面层后加筋所发挥 的桥联效应及其影响因素进行了深入的探讨。 通过建立沥青路面结构分析模型和采用断裂力学有限元计算分 析,探讨了在对称荷载、偏载以及存在水平荷载情形下界面结合状态。 加筋材料等对沥青面层受力的影响。指出加筋材料所发挥的作用在沥 青面层内裂缝扩展的不同阶段有所不同,一般均能改善裂缝拉应力和 剪应力集中程度,但对剪应力主要通过层间界面效应而起作用。土工 筋材与上下沥青面层、半刚性基层的界面结合状态直接影响到其加筋 效果的发挥。 同时,建立半刚性基层沥青路面疲劳损伤力学模型,采用损伤力 学有限元方法,模拟计算沥青路面在偏载下疲劳损伤开裂过程,并预 测其疲劳开裂寿命,对加筋效果进行对比分析。指出在交通荷载作用 下半刚性沥青路面反射裂缝的形成属于一种压剪断裂过程;加筋影响 主要约束沥青面层底部裂缝位置损伤区的范围及延缓损伤区向上发 展的速度,从而延长沥青面层的疲劳寿命。 本文第三部分,对旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层疲劳开裂 寿命及其影响因素进行了系统研究。 首先,结合旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层试验路工程,系 统地开展了关于沥青混凝土加铺层疲劳损伤断裂全过程的数值模拟 计算分析,探讨地基支承条件、接缝(裂缝)传荷能力、沥青混凝土 加铺层厚度以及加筋等因素对沥青混凝土加铺层疲劳损伤寿命的影 响,指出接缝传荷能力对沥青混凝土加铺层疲劳损伤寿命影响最显 著。并预测到在大部分情形下将在接缝(裂缝)对应位置的路表出现 双裂缝,双裂缝间距与接缝传荷能力有关,一般在4cm左右。针对不 同条件下不同的加铺层方案所预测的加铺层寿命和双裂缝破坏现象, 与试验路现场观测记录的数据一致。 在此基础上,提出一种弹性地基上双层梁模型模拟旧水泥混凝土 路面沥青混凝土加铺层结构,其中综合考虑裂缝前沿的损伤区、接缝 (裂缝)传荷和加筋等影响加铺层疲劳寿命的主要因素,针对交通荷 载的循环作用,提出基于疲劳损伤力学与疲劳断裂力学的旧水泥混凝 土路面沥青加铺层疲劳开裂寿命预测方法。在此基础上建立了一套关 于旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层厚度设计和加筋设计的方法。 最后,根据关于旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层疲劳寿命影 响因素的敏感性分?
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