半剛性基層瀝青混凝土路面反射裂縫擴(kuò)展和疲勞壽命研究.pdf

1、半剛性基層瀝青混凝土路面是我國(guó)高等級(jí)公路的主要結(jié)構(gòu)形式，但該路面結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)早期容易因裂縫而出現(xiàn)各種病害，其中反射裂縫是半剛性基層瀝青面層最主要的早期破壞形式之一。如何有效地控制其產(chǎn)生、發(fā)展和降低對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響至今仍是道路工程界面臨的一大難題。采用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和疲勞強(qiáng)度理論難以真實(shí)描述裂縫問題的本質(zhì)。本文利用改進(jìn)的Williams級(jí)數(shù)、等參元和廣義參數(shù)有限元法提出并建立了半剛性基層路面荷載型反射裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子分析的廣義參

2、數(shù)Williams單元。將求解總體控制方程所得廣義參數(shù)引入傳統(tǒng)的疲勞斷裂壽命預(yù)測(cè)中，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)反射裂縫擴(kuò)展的疲勞壽命。因半剛性基層路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命與諸多因素有關(guān)，包括裂紋幾何形狀、擴(kuò)展方向、擴(kuò)展規(guī)律、材料自身特性、構(gòu)件的幾何形狀、環(huán)境條件和載荷歷程等，這些因素通常表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，所以疲勞壽命也應(yīng)是一隨機(jī)量?；诖耍疚拈_展了半剛性基層路面反射裂縫擴(kuò)展的疲勞壽命隨機(jī)分析，進(jìn)而利用蒙特卡洛抽樣計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的可靠度。主要研究工作如下：<

3、br>　　 第一部分：研究建立半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)彈性層狀平面應(yīng)變分析模型，并對(duì)該模型做了合理的假定和簡(jiǎn)化。根據(jù)反射裂縫的開裂模式引出線彈性斷裂力學(xué)在路面結(jié)構(gòu)中的一些基本理論和概念，并在線彈性斷裂范圍內(nèi)利用Westergaard應(yīng)力函數(shù)法給出了三種斷裂模式下的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)表達(dá)式，由此引出應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念。因反射裂縫多以Ⅰ-Ⅱ混合型裂縫形式出現(xiàn)，文中推導(dǎo)了更具靈活性的平面裂紋Williams級(jí)數(shù)特征展開。
　　 第二

4、部分：結(jié)合該模型，將其離散為裂尖奇異區(qū)和外圍常規(guī)區(qū)，奇異區(qū)內(nèi)部分別采用網(wǎng)格細(xì)分的普通有限單元和奇異單元處理。文中詳細(xì)介紹了等參元和奇異元的一些基本概念以及構(gòu)造原理等，并推導(dǎo)了二者的形函數(shù)，編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。算例分析可知二者具有一個(gè)共同的缺陷：計(jì)算工作量大且不能直接確定裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子，而需通過線性外推獲得，此過程復(fù)雜，容易引入人為誤差。
　　 第三部分：針對(duì)當(dāng)前大多數(shù)研究人員需借助有限元分析軟件，或者利用普通有限元法獲得反

5、射裂縫裂尖處應(yīng)力強(qiáng)度因子存在的這一些缺陷，本文提出并建立了廣義參數(shù)Williams單元分析半剛性基層路面荷載型反射裂縫裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。其單元模型中含有與應(yīng)力強(qiáng)度因子相關(guān)的參數(shù)，可以直接確定裂尖處應(yīng)力強(qiáng)度因子，有效避免了普通有限元后處理計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的缺陷。對(duì)Williams單元構(gòu)造原理研究發(fā)現(xiàn)：該單元位移場(chǎng)不再用單元結(jié)點(diǎn)參數(shù)表示，而轉(zhuǎn)換為用總體場(chǎng)Williams級(jí)數(shù)中待定參數(shù)表示，因此奇異區(qū)內(nèi)單元離散個(gè)數(shù)多少對(duì)總體自由度數(shù)并無影響，

6、只取決于選取的Williams級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)，由此細(xì)分奇異區(qū)離散網(wǎng)格并不增加總體自由度，從而提高了計(jì)算效率。并且只需已知奇異區(qū)與常規(guī)區(qū)分界線上結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息即可根據(jù)等比級(jí)數(shù)求和的方法形成奇異區(qū)內(nèi)Williams單元?jiǎng)偠确匠?，格式?jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)。
　　 第四部分：將本文方法與傳統(tǒng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)理論和公式相結(jié)合，研究建立基于廣義參數(shù)計(jì)算反射裂縫擴(kuò)展的疲勞壽命的預(yù)測(cè)模型，避免了傳統(tǒng)方法需根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)量，先擬合確定應(yīng)力強(qiáng)度因子再分析疲勞壽命

7、的兩步走思想。詳細(xì)分析了面層模量和厚度與疲勞壽命之間的關(guān)系，據(jù)此給出了增大面層厚度或減小面層模量以提高路面疲勞壽命的工程措施。由于模量降低路面將會(huì)伴隨產(chǎn)生一些新的早期破壞，因此選用降低模量提高路面疲勞壽命的方式尚需慎重對(duì)待。
　　 第五部分：將傳統(tǒng)的Paris疲勞壽命預(yù)測(cè)公式改進(jìn)為形式更為靈活的級(jí)數(shù)表達(dá)形式，并引入廣義參數(shù)計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，其形式簡(jiǎn)單易被工程人員接受。算例中考慮了單變量的隨機(jī)性，利用蒙特卡洛抽樣模擬技術(shù)計(jì)算