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寒区水泥稳定砂砾基层温缩裂缝模型的研究

作　者: 张姝婷
导　师: 程培峰
学　校: 东北林业大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 水稳砂砾基层 ABAQUS 模拟裂缝间距
分类号: U416.213
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着水泥稳定砂砾基层在我国公路建设中的广泛应用,其在环境作用下容易开裂的特性也受到大家广泛的关注。对于东北寒区,环境温度变化对基层开裂的影响较大。根据基层的温度收缩原理,计算未铺筑沥青面层情况下,水泥稳定砂砾基层经历从夏季到冬季的降温过程后产生裂缝的平均裂缝间距。将计算求得的间距与实际基层裂缝间距调查结果进行对比。结果表明,两者之间存在一定的差异。产生这种差异的原因是由于在计算温度应力时没有考虑基层内部的温差是沿着深度方向变化的。实际上,基层内部的收缩不是均匀的,是从上到下有一定差别的。因此,有必要用有限元方法进一步研究水泥稳定砂砾基层的裂缝间距。应用ABAQUS软件建立了结构为基层、底基层和土基的基层温缩裂缝分析模型,确定了各结构层的密度、模量、泊松比和温度收缩系数,编辑沿模型深度变化的温度场,设置结构层的边界条件,基层沿路线方向的长度等条件。以齐齐哈尔市5%水泥剂量水泥稳定砂砾基层为例分析表明,基层的临界开裂间距为15.7m左右,这与实际调查结果基本一致,验证了模型的正确性。基层模型具有一定的适用性,路面条件发生变化,如基层的材料参数、温度场和其他荷载和边界条件,基层裂缝分析模型仍然适用。宽度对基层模型的使用具有一定的影响,宽度裂纹尖端强度应力因子的差值和基层模型长度呈指数关系。运用有限元基层裂缝模型分析了有沥青面层时基层温缩开裂情况。加铺沥青面层的基层其裂缝尖端应力强度因子更小。基层上铺筑沥青面层后,沥青面层的吸热隔温作用,使基层温度场范围减小,从而降低裂缝的产生。因此,在水泥稳定砂砾基层铺筑后,尽快铺筑沥青面层有利于减少基层开裂。很难将传感器顺利埋设在水泥稳定砂砾基层实体结构中,不易现场采集实体结构变形受力的数据。选取与基层性质相似的材料,模拟基层在温度变化时的变形和受力情况,分析水泥稳定砂砾基层低温收缩产生裂缝的条件,验证ABAQUS建立的模型。论文的研究,对路面基层的结构和材料的设计和研究,以及面层反射裂缝的研究具有一定的意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究的目的及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 国内研究现状  10-11
    1.2.2 国外研究现状  11-12
  1.3 研究主要内容、技术路线  12-14
    1.3.1 研究主要内容  12
    1.3.2 技术路线  12-14
2 基于温度应力的裂缝间距  14-21
  2.1 基层温度应力  14-15
  2.2 基层温度变化  15-16
  2.3 裂缝间距计算  16-17
  2.4 水泥稳定砂砾基层裂缝调查研究  17-18
    2.4.1 试验路概况  17
    2.4.2 试验路裂缝数据调查  17-18
  2.5 计算裂缝间距与实际调查对比  18-20
  2.6 本章小结  20-21
3 基于有限元法的裂缝间距  21-43
  3.1 有限元方法和ABAQUS简介  21-22
    3.1.1 有限元法  21
    3.1.2 ABAQUS简介  21-22
  3.2 断裂力学和J积分  22-27
    3.2.1 断裂力学及应力强度因子K  22-23
    3.2.2 裂纹尖端的应力场和位移场  23-25
    3.2.3 J积分  25-26
    3.2.4 裂纹尖端的奇异单元  26-27
  3.3 水泥稳定砂砾基层有限元分析模型的建立  27-36
    3.3.1 模型尺寸  27-28
    3.3.2 材料属性  28-29
    3.3.3 相互作用  29-30
    3.3.4 网格划分和单元类型  30-33
    3.3.5 分析步  33-34
    3.3.6 载荷和边界条件  34-36
  3.4 分析结果  36-42
  3.5 本章小结  42-43
4 有限元法裂缝模型的应用条件  43-55
  4.1 模型适用条件  43
  4.2 基层宽度对模型影响的分析  43-52
    4.2.1 四车道和双车道公路基层模型的建立  43-44
    4.2.2 10m长时不同宽度模型分析  44-46
    4.2.3 16m长时不同宽度模型分析  46-49
    4.2.4 20m长度基层时不同宽度模型裂缝分析  49-51
    4.2.5 不同宽度模型对比分析  51-52
  4.3 带有沥青面层结构模型建立  52-53
    4.3.1 沥青面层材料参数和模型尺寸  52
    4.3.2 面层和基层接触设置  52
    4.3.3 模型的荷载和边界条件  52-53
    4.3.4 模型分析结果  53
  4.4 本章小结  53-55
5 室内模拟试验  55-72
  5.1 模拟相似原理  55
  5.2 模拟试验设计  55
  5.3 材料选择  55-65
    5.3.1 拉伸试验  56-57
    5.3.2 抗弯拉弹性模量试验  57-60
    5.3.3 温度收缩试验  60-65
  5.4 模拟试验装置  65-67
    5.4.1 夹具  66
    5.4.2 力传感器  66-67
  5.5 模拟试验与试验结果分析  67-69
  5.6 室内模拟试验的有限元分析  69-71
  5.7 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-76
致谢  76-77

寒区水泥稳定砂砾基层温缩裂缝模型的研究

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