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| 长大纵坡沥青路面疲劳开裂分析 摘要 随着我国交通运输业的发展，相应的网络密度的增加，西部地区的公路迎来了大发展，西部地区由于其地理、地貌的特殊性，使其公路在设计中出现大量长大纵坡。长大纵坡有以下特点：一是坡度较长，总长有时甚至超过四公里。二是坡度较大，坡度超过2%。由于长大纵坡公路的特点，往往达不到设计设计年限和经济效应就出现病害。 通过对长大纵坡沥青路面的现场调查和相关研究 ，结合其特点发现有车辙、推移、疲劳开裂等现象严重。由于在长大纵坡路段，车辆行驶速度较低较正常路段下降很多，延长了车辆荷载与路面的作用时间，车速会降到设计时速的一半以下，对于超载的货车车速下降更为严重。众所周知，沥青混合料的黏弹特性，其力学特性受荷载的作用时间影响较大，根据时温等效原理，荷载作用时间长相当于高温作用，沥青混凝土材料的力学特征下降明显。同时，由于坡度的存在，车辆在上下坡时会频繁的加速和刹车，使得路面受到的水平力比正常路段大很多，坡度越大，路面受到的水平力就会越大。 本论文的研究对象为长大纵坡沥青路面，根据其特殊纵坡条件，纵坡段公路车辆在较慢的速度且频繁启动,而且还受到超载、重载、低速等许多因素的影响,长大纵坡路段车辙、开裂的情况时有发生，特别是连续上坡，长上坡路段，路面受到汽车的压力很大，并且由于车辆在这些路段的行驶速度较慢，因此，在连续的车辙之下，路面会出现较为严重的损耗，而且严重程度比预估的更厉害，长达纵坡的研究，对提高路面的使用年限来说非常重要，具有现实意义。另一方面裂缝会使得水沿着缝隙渗进基层，在车辆的反复作用下，造成动水压力，破坏路基结构，产生翻浆冒泥，加速裂缝疲劳扩展，沥青路面因此早期病害更加严重。 本论文先对研究对象进行了特点分析，分析了其病害有哪些情况，并建立长大纵坡沥青路面有限元模型，面层粘弹性；分析了在动荷载作用下的动力响应以及不同层间接触状态、不同坡度、超载率和车速的影响。同时分析在不同坡度、不同轴载、不同车速情况下及不同层间接触状态下应力强度因子的变化，由应力强度因子计算疲劳寿命，分析在以上不同工况下的疲劳寿命变化，进而了解提高道路寿命的方法。 关键词：长大纵坡沥青路面；有限元模型；应力强度因子；疲劳寿命 目录 1绪论 1 1.1研究背景及意义 1 1.2国内外研究文献 2 1.2.1国外研究现状 2 1.2.2国内研究现状 3 1.3研究内容及方法 4 1.3.1研究内容 4 1.3.2研究思路 4 2长大纵坡沥青路面的特点病害研究 5 2.1车辙病害特点与原因分析 5 2.2滑移病害特点与原因分析 5 2.3疲劳破坏 6 3长大纵坡沥青路面力学分析 7 3.1长大纵坡处车辆力学状态分析 7 3.1.1长大纵坡处路面受力状态 7 3.1.2车辆行驶平衡力学研究 9 3.1.3长大纵坡路段水平和垂直荷载 9 3.2有限元模型建立 10 3.2.1粘弹性材料特点 10 3.2.1 粘弹性材料的力学模型 11 3.3Burgers模型的prony级数转化 13 3.3路面结构有限元模型的基本假设 15 3.4路面结构动力学有限元方程 16 3.5路面有限元模型结构参数 16 3.6车辆对路面的荷载作用形式 19 3.6.1垂直荷载 19 3.6.2动载系数 20 3.6.3水平荷载 20 4长大上坡沥青路面动力响应 21 4.1长大上坡沥青路面动力响应规律 21 4.2各动力响应参数分布规律 25 4.3 不同影响因素下的沥青路面应力分析 28 4.3.1长大上坡路段沥青路面在不同车速下的应力分析 28 4.3.2不同坡度下的应力分析 29 4.3.3不同载荷条件下的应力分析 30 5 长大纵坡沥青路面段表面裂缝的应力强度因子 31 5.1断裂力学基本理论及其应用 31 5.2断裂力学 32 5.3 裂缝尖端的奇异性和SIF 36 5.4断裂准则 36 5.4.1应力强度因子及其断裂准则 36 5.4.2能量释放率及其断裂准则 37 5.4.3 G与K的关系 38 5.5裂缝疲劳扩展理论 39 5.5.1裂缝疲劳扩展规律 39 5.5.2沥青混合料疲劳断裂参数C,n 40 5.6交通荷载的作用位置 41 5.7断裂问题的有限元计算方法 42 5.7.1有限元计算方法基本原理 42 5.7.2奇异单元与表面效应单元 44 5沥青路面面层自上而下裂缝的疲劳特性分析 47 5.1层间接触状态对应力强度因子的影响 47 5.2超载对应力强度因子的影响 49 5.3坡度对应力强度因子的影响 51 5.4车速对应力强度因子的影响 53 5.5小结 54 6长大纵坡沥青路面疲劳寿命分析 55 6.1疲劳破坏的相关理论 55 6.1.1裂缝疲劳扩展模型 55 6.2 不同工况下对裂缝疲劳寿命的影响 58 6.3层间接触状态对面层Top-down裂缝疲劳寿命的影响 58 6.4 超载对对Top-Down裂缝疲劳寿命的影响 59 6.5坡度对Top-Down裂缝疲劳寿命的影响 60 6.6 车速对Top-Down裂缝疲劳寿命的影响 61 6.7 小结 62 结论 63 致谢 64 参考文献 65 |
