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《西南交通大学》 2004年
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沥青路面裂纹形成机理及扩展行为研究

毛成  
【摘要】:疲劳开裂是沥青路面主要的早期破损形式之一,由于交通荷载和低温应力的反复作用,沥青路面中的微裂纹不断扩展、增密并贯穿连通形成宏观裂纹,导致路面结构破坏。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。认识和理解沥青路面结构裂纹形成机理及扩展过程,对提高沥青路面结构抗裂性能,优选沥青混合料,改进现有的路面设计方法都是非常重要的。 本文首先搜集回顾了大量国内外相关文献和研究成果,对沥青路面裂缝类早期破损的现象和机理识别进行了详细的研究和总结。鉴于影响沥青路面早期裂缝的因素多而复杂,给出了影响沥青路面裂缝的因素及其相互作用关系图帮助识别裂纹形成机理。基于线弹性断裂力学有限元方法和窗口移动技术,编写了能同时处理四边形8结点等参单元和三角形6结点奇异等参单元的二维沥青路面裂纹扩展路径模拟程序——APCPPS~(2D)(2-D Asphalt Pavement Crack Propagation Path Simulator), APCPPS~(2D)程序能同时考虑交通荷载和温度荷载的作用,能同时模拟多条裂纹的扩展行为。通过对3个有解析解和实验结果的算例的模拟分析,表明了APCPPS~(2D)程序能够较为准确地计算出裂纹尖端的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子,能够较好地模拟Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的扩展行为。 设计了模拟沥青混凝土复合型裂纹扩展行为的偏直裂纹三点弯曲梁试验,并对一系列三点弯曲梁中复合型裂纹的扩展路径进行了实验和数值模拟。结果表明,随着预制裂纹偏离梁中线距离的增加,裂纹的起裂角和峰值荷载都增大。裂纹扩展路径总体上遵循一定的规律,试验结果表明,由于沥青混凝土材料颗粒的不均匀性,裂纹扩展路径通常沿着集料颗粒边界扩展而很少切断颗粒。 在国内首次通过网格显式地模拟了沥青路面结构中裂纹的扩展路径。应用APCPPS~(2D)程序分别模拟了两种路面开裂形式:一种是沥青路面表面存在一条表面裂纹的开裂路面;另一种是沥青路面表面有一条表面裂纹且基层底面有一条反射裂纹。在开裂路面的综合参数研究中详细评价了不同的交通荷载 兰止乙一一‘一亘些巡支墅胜鲤丝 与低温荷载组合、不同的路面结构组合、非均匀分布轮胎压力及超载和荷载 谱(大小和相对裂纹的位置)的影响。荷载的位置连同沥青面层和基层刚度对 裂纹的扩展有很大的影响,计算出了裂纹增长的方向且表明随着裂纹长度的 增加其扩展方向会发生改变。正常路面结构表面裂纹的形成及进一步的扩展 主要是由低温应力及低温疲劳应力引起的,其开裂方式主要是I型开裂。低温 下交通载荷的重复作用也会加速路面裂纹的疲劳扩展。路面结构(厚度和刚度) 的不同组合对沥青路面表面裂纹的扩展行为有较大的影响。基层底面裂纹的 应力强度因子随着基层模量的增加而增加,随着面层模量的增加而减小;而 表面裂纹的应力强度因子随着基层模量的增加而减小,随面层模量的增加而 增加。水平荷载对表面裂纹复合型应力强度因子有较大的影响,而对基层底 面裂纹复合型应力强度因子的影响较小。非均布轮胎压力对路面表面裂纹和 基层底面裂纹应力强度因子的影响也较大。裂纹随着交通荷载作用位置的不 同而表现出明显不同的裂纹扩展路径,表面裂纹呈现向下偏离荷载的曲线扩 展路径,而基层底面裂纹表现为向上偏向荷载的曲线扩展路径。沥青面层和 基层的弹性模量对表面裂纹和基层底面裂纹的扩展路径有较大的影响。 通过沥青路面裂纹扩展行为的分析表明,裂纹扩展的机理主要是拉应力, 无论荷载的位置如何,剪应力对控制裂纹的生长并不重要。虽然裂纹尖端处 于I一11复合型应力状态下,但拉应力仍然是裂纹扩展的主要驱动力。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:U418

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【引证文献】
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8 谢洪阳;王元汉;;双参数地基上弹性板的动力分析[J];岩土力学;2007年S1期
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10 任钧国,熊龙飞;低阶高精度单元的发展[J];国防科技大学学报;1998年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 吴申庆;徐文娟;;AL_2O_3Sf/ZL109复合材料的热疲劳短裂纹的扩展行为[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年
2 胡本润;吴学仁;丁传富;陈剑峰;;2024-T3铝合金疲劳小裂纹扩展行为[A];第五届全国MTS材料试验学术会议论文集[C];2001年
3 郭雅芳;吴文平;刘磊;;金属材料中裂尖形变的微观机制及尺度效应[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
4 曾振鹏;张丽萍;;奥氏体化温度对18Cr_2Ni_4WA钢显微组织的影响[A];第四次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1986年
5 徐永波;张静华;;Ni3AI单晶裂纹扩展行为的TEM动态观察[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年
6 韩圣章;刘兴业;邱国志;;有限元和无界元耦合分析介质与结构的相互作用[A];第六届全国结构工程学术会议论文集(第一卷)[C];1997年
7 袁海庆;卢哲安;魏文晖;陈应波;;桥面铺装层结构静力及动力的有限元分析[A];第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ卷)[C];1998年
8 丁传富;刘建中;吴学仁;;疲劳小裂纹力学行为表征及试验技术研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
9 谢洪阳;王元汉;;双参数地基上弹性板的动力分析[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
10 周磊;;体心立方铁中裂尖形变机制的分子动力学模拟[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 陈华;企业集团扩展须警惕“规模陷阱”[N];中国企业报;2003年
2 陈华;企业集团扩展须警惕“规模陷阱”[N];发展导报;2003年
3 凡言;民企 如何确定自身的范围经济优势[N];发展导报;2002年
4 主持人 李浩明;长三角“圈地运动”渐成气候[N];文汇报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 毛成;沥青路面裂纹形成机理及扩展行为研究[D];西南交通大学;2004年
2 邹乐君;基于光学遥感的海岛识别及算法研究[D];浙江大学;2010年
3 李盘靖;远程协同故障诊断关键技术及其应用研究[D];西北工业大学;2006年
4 林广平;基于断裂力学的钢桥面铺装层疲劳寿命研究[D];东南大学;2006年
5 王辉;基于参数变分原理的非均质Cosserat体弹塑性有限元分析[D];大连理工大学;2007年
6 许富民;梯度分布的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备,组织和力学行为[D];大连理工大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胡本润;Ti-6Al-4V钛合金小裂纹扩展行为与寿命预测[D];北京航空材料研究院;2000年
2 龚政;镁合金AM50、AZ91的疲劳裂纹扩展行为和高温力学性能的研究[D];沈阳工业大学;2002年
3 莫涛;SUS304不锈钢裂纹尖端的室温蠕变现象及其对疲劳裂纹扩展行为的影响[D];大连理工大学;2005年
4 李鹏辉;沥青路面裂纹扩展数值与试验研究[D];华中科技大学;2007年
5 邓蓓;指涉行为与扩展行为:动词名化的新闻翻译[D];西南交通大学;2007年
6 韩子蛟;大板梁有限元软件编制过程若干问题的研究[D];同济大学;2007年
7 赵奇;用三点弯曲法测试新型含钛镍铬烤瓷合金的金瓷结合性能[D];中国医科大学;2007年
8 李冉;结构断裂分析的广义参数有限元法[D];广西大学;2004年
9 肖军;材料成形过程的类等势场法模拟与预成形设计[D];西北工业大学;2006年
10 李晓宇;钢轨踏面斜裂纹扩展行为的仿真研究[D];铁道部科学研究院;2007年
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