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沥青混凝土路面粘弹性损伤演化与防裂控制研究

作　者: 孙雅珍
导　师: 余天庆；刘杰民
学　校: 东北大学
专　业: 工程力学
关键词: 沥青混凝土路面 粘弹性损伤 损伤断裂演化 土工合成材料加铺层防裂控制 纤维增强沥青混凝土路面
分类号: O346.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


目前,全国高速公路通车总里程5万公里,位居世界第二,沥青混凝土路面占高等级公路里程的75%。但是路面裂缝一直是困扰公路建设和养护的主要问题,因此,研究沥青混凝土路面的损伤演化成为交通领域和力学领域的热点问题。沥青混凝土路面结构的损伤演化是伴随路面开裂过程发生的,沥青混凝土为粘弹性体,研究沥青混凝土路面的损伤演化必须考虑沥青混凝土的粘弹性行为。本文研究沥青混凝土路面的粘弹性损伤演化过程和发生机理,通过添加土工合成材料加铺层和采取纤维增强等措施达到沥青混凝土路面防裂控制的目的。本文研究的主要内容有以下几方面：1、沥青混凝土的粘弹性损伤模型的创建。根据粘弹性模型理论和时温等效原理,建立由6个Maxwell模型并联的广义Maxwell模型模拟沥青混凝土的粘弹性行为。应用Sidoroff损伤模型和断裂力学耦合分析方法,经理论推导得到单向拉伸的斜裂纹损伤区与断裂区的边界方程,进而确定了斜裂纹初始损伤区和断裂区的径向尺寸。提出裂尖断裂区内径向应变能的概念,基于此概念建立了裂尖断裂区内最小径向应变能判据(CMRSE),由CMRSE确定斜裂纹在断裂区边界上的开裂角和不同裂纹倾角起裂点的坐标。起裂点坐标的确定,为后面数值模拟裂缝扩展过程的有限元网格局部加密提供理论支持。在上述分析的基础上,提出沥青混凝土粘弹性损伤分析方法。2、含裂缝沥青混凝土路面力学模型的建立。建立沥青混凝土路面的表面裂缝模型和反射裂缝模型；在分析的基础上确定模型尺寸和有限单元类型。根据已经确定的起裂点坐标进行单元的局部加密。将有限单元网格划分为三种疏密不同的区域来模拟初始损伤区和断裂区。最密区模拟裂缝区域,次密区模拟损伤区,稀疏区模拟粘弹性区域。沥青混凝土路面的损伤断裂演化通过损伤区和断裂区的变化来模拟。3、含裂缝沥青混凝土路面粘弹性损伤演化数值模拟。对温度作用下含表面裂缝沥青混凝土路面的松弛特性和行车载荷作用下含反射裂缝沥青混凝土路面松弛特性进行了数值模拟；对含裂缝沥青混凝土路面进行了粘弹性损伤演化分析,其中包含初始裂缝深度、温度和时间对应力、平均损伤因子、损伤区半径、断裂区半径的影响。研究表明,应力松弛和损伤耦合的结果是损伤演化仍然发生,即含裂缝沥青混凝土路面继续劣化,并且温度越低,劣化越严重；随时间的延长,由于应力松弛的作用,损伤演化趋于稳定。4、土工合成材料加铺层的抗裂性能研究。应用数值计算和试验的方法研究在行车载荷作用下土工合成材料加铺层对含反射裂缝沥青混凝土路面的抗裂效果。分析了温度、时间和加铺层弹性模量对面层层底拉应力和裂缝延长线上各点正应力的影响。对土工合成材料加铺层的弹性模量进行了优化设计。5、纤维增强沥青混凝土路面粘弹性损伤分析。通过复合材料力学分析和实验研究,提出纤维的合理掺量为质量含量0.2%,有限元分析表明,纤维增强沥青混凝土路面的抗损伤疲劳寿命提高了34.13%；对含裂缝纤维增强沥青混凝土路面进行了松弛与损伤的耦合分析。分析了纤维含量对平均损伤因子、损伤区半径、断裂区半径的影响,对纤维增强沥青混凝土路面的抗裂性能的粘弹性损伤分析结果表明,纤维增强沥青混凝土路面的松弛损伤因子比无纤维减少了8.38%,纤维增强沥青混凝土路面的损伤区半径和断裂区半径分别减小了66.34%和64.16%。通过上述研究,论文成果渴望在理论研究、实践过程中为工程应用带来较好的经济效益、社会效益,为北方高等级公路路面设计和维修提供有效的参考指导。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第1章 绪论  12-24
  1.1 课题的背景及研究意义  12-13
  1.2 国内外研究概况  13-20
    1.2.1 混凝土材料的损伤断裂演化  13-15
    1.2.2 沥青混凝土粘弹性损伤理论  15-16
    1.2.3 沥青混凝土路面裂缝扩展  16-18
    1.2.4 沥青混凝土路面防裂控制  18-19
    1.2.5 存在的问题  19-20
  1.3 本文研究的主要内容和技术路线  20-22
    1.3.1 研究的主要内容  20-21
    1.3.2 研究的技术路线  21-22
  1.4 本文拟解决的关键技术  22
  1.5 本章小结  22-24
第2章 沥青混凝土粘弹性损伤基本理论介绍  24-36
  2.1 粘弹性理论  24-31
    2.1.1 基本概念  24-26
    2.1.2 微分型本构理论  26-28
    2.1.3 积分型本构理论  28-30
    2.1.4 时温等效原理  30-31
  2.2 损伤理论  31-35
    2.2.1 损伤模型  32-34
    2.2.2 损伤演化机制  34-35
  2.3 本章小结  35-36
第3章 沥青混凝土材料粘弹性损伤理论与求解方法  36-57
  3.1 沥青混凝土的松弛模量  36-37
  3.2 沥青混凝土粘弹性损伤理论  37-39
    3.2.1 损伤力学求解方法  37-38
    3.2.2 蠕变型损伤本构方程  38-39
    3.2.3 松弛型损伤本构方程  39
  3.3 单向拉伸条件下的裂纹扩展准则  39-48
    3.3.1 初始损伤区与断裂区的确定  40-44
    3.3.2 断裂区边界上开裂角的确定  44-45
    3.3.3 三型裂纹损伤区和断裂区的分布及起裂点的坐标  45-48
  3.4 单轴压缩条件下裂纹的破坏模式分析  48-52
    3.4.1 初始扩展  48-49
    3.4.2 翼型裂纹  49-52
  3.5 沥青混凝土材料的粘弹性损伤求解方法  52-55
    3.5.1 沥青混凝土材料的粘弹性损伤分析参数的确定  52
    3.5.2 沥青混凝土材料的粘弹性损伤分析过程  52-55
  3.6 本章小结  55-57
第4章 含裂缝沥青混凝土路面力学模型的建立  57-70
  4.1 基本假定  57
  4.2 荷载场与温度场的确定  57-59
    4.2.1 荷载场的确定  57-58
    4.2.2 温度场的确定  58-59
  4.3 两种裂缝模型的建立  59-61
    4.3.1 反射裂缝模型  59-60
    4.3.2 表面裂缝模型  60-61
  4.4 模型尺寸的确定  61-64
    4.4.1 表面裂缝平面模型尺寸的确定  61
    4.4.2 反射裂缝平面模型尺寸的确定  61-62
    4.4.3 空间模型尺寸的确定  62-64
  4.5 单元类型的选择  64-65
  4.6 模拟路面损伤断裂演化方法  65-69
    4.6.1 模拟裂缝扩展的方法  65-68
    4.6.2 模拟路面损伤断裂演化的局部加密法  68-69
  4.7 本章小结  69-70
第5章 含裂缝沥青混凝土路面粘弹性损伤演化数值模拟分析  70-95
  5.1 含裂缝沥青混凝土路面松弛特性分析  70-90
    5.1.1 温度作用下含表面裂缝沥青混凝土路面松弛特性分析  70-81
    5.1.2 行车载荷作用下含反射裂缝沥青混凝土路面松弛特性分析  81-90
  5.2 含裂缝沥青混凝土路面的粘弹性损伤演化分析  90-93
    5.2.1 含裂缝沥青混凝土路面粘弹性损伤因子分析  90-91
    5.2.2 含裂缝沥青混凝土路面的损伤演化分析  91-92
    5.2.3 含裂缝沥青混凝土路面的损伤区半径和断裂区半径计算与分析  92-93
  5.3 本章小结  93-95
第6章 基于土工合成材料加铺层的沥青混凝土路面抗裂性能研究  95-106
  6.1 土工合成材料加铺层抗裂性作用研究  95-96
    6.1.1 土工合成材料概述  95
    6.1.2 土工合成材料抗裂机理分析  95-96
  6.2 土工合成材料加铺层的沥青混凝土路面力学模型的建立  96-97
  6.3 数值计算结果与分析  97-102
  6.4 防治反射裂缝加铺层处理试验方法与效果评价  102-105
    6.4.1 试验原理  102-103
    6.4.2 冲击韧性试验  103-104
    6.4.3 效果评价  104-105
  6.5 本章小结  105-106
第7章 纤维增强沥青混凝土路面抗裂性能的粘弹性损伤研究  106-116
  7.1 纤维沥青混凝土劲度模量的确定  107-112
    7.1.1 理论计算  107-109
    7.1.2 试验分析  109-111
    7.1.3 试验结果与理论结果比较  111-112
  7.2 纤维增强沥青混凝土松弛模量的确定  112-113
  7.3 纤维增强沥青混凝土路面抗裂性能的粘弹性损伤研究  113-115
    7.3.1 纤维增强沥青混凝土路面疲劳寿命分析  113
    7.3.2 纤维增强沥青混凝土路面松弛损伤演化分析  113-115
  7.4 本章小结  115-116
第8章 结论与展望  116-119
  8.1 本文的主要成果和结论  116-117
  8.2 本文的创新点  117-118
  8.3 需要继续研究的内容  118-119
参考文献  119-123
致谢  123-124
攻读博士学位期间从事科研、发表的论文和获奖情况  124-125

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 固体力学 > 强度理论 > 损伤理论
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