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混凝土路面碎石化过程及加铺结构的有限元模拟

作　者: 龙兵
导　师: 黄立葵
学　校: 湖南大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 旧混凝土路面碎石化非线性动力有限元冲击荷载模量突变移动荷载应力强度因子
分类号: U416.216
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

多锤头碎石化是一种旧水泥混凝土路面处治技术,具有工期短、环保、节能、性价比高等优势,在旧混凝土路面改建中应用十分广泛。采用碎石化技术处理混凝土路面,加铺沥青混凝土面层,是目前水泥混凝土路面改造技术研究和发展的一个重要方向。但是,目前国内外对碎石化技术的研究多局限于施工经验,理论研究尚显不足。对碎石化过程的有限元模拟一般都采用拟动力弹性模型分析,即将冲击荷载用动量定理反算冲击力,再将该力作为静止荷载作用在路面结构上,或者定义一个函数曲线,假定荷载按该曲线随时间变化。本文将模拟锤头在自重作用下,以一定速度冲击混凝土板,进行三维动力有限元模拟,考虑到混凝土板破碎时,内部应力已经超过弹性范围,因此结构层材料采用非线性模型模拟更接近真实情况。对于路面加铺结构的受力分析,以前的研究也多采用静止荷载,因移动荷载更符合实际情况,故本文采用移动均布荷载来模拟行车荷载。混凝土路面碎石化后试坑开挖及施工控制不当等因素会使碎石化后顶面回弹模量变异较大,对加铺后路面受力不利,本文将分析碎石化后顶面回弹模量突变对沥青加铺层的影响,并提出改善措施。本文采用有限元模型进行分析,主要取得了如下研究成果：(1)建立了三维非线性动力有限元模型,混凝土材料采用损伤塑性本构模型模拟、基层和土基采用Drucker-Prager/Cap修正塑性本构模型模拟,荷载为重锤做自由落体运动,以一定速度冲击混凝土板,分析了四种典型工况下,混凝土板的变形、受力及破坏特征,以及冲击过程对基层和土基的影响。(2)用三维非线性动力有限元模型分析了下落锤头的个数、锤头落点间距、锤头下落高度、基层模量、土基模量、层间接触、混凝土板和基层厚度等因素对冲击破碎过程的影响；拟合了锤头下落高度与板底横向弯拉应力的关系式。(3)用三维弹性动力有限元模型分析了移动荷载下,碎石化层顶面模量突变对沥青加铺层受力的影响。(4)用三维弹性动力有限元模型分析了移动荷载下,碎石化层模量突变对沥青加铺层反射裂缝及从上往下裂缝应力强度因子的影响。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
插图索引  11-14
附表索引  14-15
第1章绪论  15-22
  1.1 研究背景与意义  15-16
  1.2 国内外发展和研究现状  16-20
    1.2.1 水泥混凝土路面旧路改建的技术现状  16-17
    1.2.2 多锤头碎石化的特点和优势  17
    1.2.3 多锤头碎石化技术在国外的发展和研究概况  17-19
    1.2.4 多锤头碎石化技术在国内的发展和研究概况  19-20
  1.3 本文研究的主要内容  20-22
第2章 MHB多锤头碎石化的机理  22-27
  2.1 多锤头碎石化设备及其工作特性  22-23
  2.2 破碎原理  23
  2.3 碎石化的前提条件  23-24
  2.4 碎石化层的结构组成  24-26
  2.5 碎石化层的强度形成原理  26
  2.6 本章小结  26-27
第3章冲击破碎过程的有限元模拟  27-69
  3.1 冲击破碎过程的波动理论分析  27-29
    3.1.1 波动理论的基本原理及冲击波的性质  27-29
    3.1.2 冲击波在路面内部的传播  29
  3.2 多锤头破碎混凝土路面的动力非线性有限元模型  29-39
    3.2.1 混凝土、基层、土基的本构模型  30-36
    3.2.2 有限单元选择与模型接触面定义  36
    3.2.3 冲击荷载模型  36-37
    3.2.4 阻尼处理与人工边界  37-38
    3.2.5 三维非线性动力有限元模型  38-39
  3.3 冲击锤作用下旧混凝土路面板的动力响应  39-47
    3.3.1 典型工况及相关假定  39-40
    3.3.2 混凝土板变形特征分析  40-41
    3.3.3 混凝土板受力特征分析  41-44
    3.3.4 混凝土板破坏特征分析  44-47
  3.4 冲击荷载对基层及路基的影响分析  47-51
    3.4.1 冲击荷载对基层的影响分析  47-49
    3.4.2 冲击荷载对路基的影响分析  49-51
  3.5 冲击破碎过程的影响因素分析  51-67
    3.5.1 下落锤头个数对路面板受力及破坏特征的影响  52-54
    3.5.2 锤头落点间距对路面板受力及破坏特征的影响  54-55
    3.5.3 锤头下落高度对路面板受力及破坏特征的影响  55-58
    3.5.4 混凝土强度对路面板受力及破坏特征的影响  58-59
    3.5.5 混凝土板厚度与基层厚度对路面板受力及破坏特征的影响  59-62
    3.5.6 基层模量对路面板受力及破坏特征的影响  62-64
    3.5.7 土基模量对路面板受力及破坏特征的影响  64-65
    3.5.8 层间摩擦系数对路面板受力及破坏特征的影响  65-67
  3.6 本章小结  67-69
第4章碎石化层模量突变对加铺层的影响  69-85
  4.1 碎石化后路面加铺结构的计算模型和参数  69-71
    4.1.1 计算模型  69-70
    4.1.2 计算参数  70-71
  4.2 移动荷载作用下碎石化层模量突变对沥青加铺层的影响  71-77
    4.2.1 移动荷载在试坑正上方通过时路面结构的动力响应  71-74
    4.2.2 移动荷载在试坑边缘通过时路面结构的动力响应  74-75
    4.2.3 移动荷载下碎石化上下层界面不平整对路面结构的力学影响  75-77
  4.3 移动荷载下碎石化层模量突变对加铺层应力强度因子的影响  77-83
    4.3.1 裂缝扩展的基本形式  77-78
    4.3.2 线弹性裂缝应力强度因子  78-80
    4.3.3 裂缝尖端的奇异单元  80-81
    4.3.4 碎石化层模量突变对反射裂缝应力强度因子的影响  81-82
    4.3.5 碎石化层模量突变对从上往下裂缝应力强度因子的影响  82-83
  4.4 本章小结  83-85
结论  85-88
参考文献  88-92
致谢  92

混凝土路面碎石化过程及加铺结构的有限元模拟

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