半剛性基層瀝青混凝土路面反射裂縫擴展和疲勞壽命研究.pdf

1、半剛性基層瀝青混凝土路面是我國高等級公路的主要結(jié)構形式，但該路面結(jié)構在運營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)展和降低對路面結(jié)構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)力學和疲勞強度理論難以真實描述裂縫問題的本質(zhì)。本文利用改進的Williams級數(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力強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)的疲勞斷裂壽命預測中，計算路面結(jié)構反射裂縫擴展的疲勞壽命。因半剛性基層路面結(jié)構疲勞壽命與諸多因素有關，包括裂紋幾何形狀、擴展方向、擴展規(guī)律、材料自身特性、構件的幾何形狀、環(huán)境條件和載荷歷程等，這些因素通常表現(xiàn)出一定的隨機性，所以疲勞壽命也應是一隨機量?；诖?，本文開展了半剛性基層路面反射裂縫擴展的疲勞壽命隨機分析，進而利用蒙特卡洛抽樣計算路面結(jié)構的可靠度。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)構彈性層狀平面應變分析模型，并對該模型做了合理的假定和簡化。根據(jù)反射裂縫的開裂模式引出線彈性斷裂力學在路面結(jié)構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應力函數(shù)法給出了三種斷裂模式下的應力場和位移場表達式，由此引出應力強度因子的概念。因反射裂縫多以Ⅰ-Ⅱ混合型裂縫形式出現(xiàn)，文中推導了更具靈活性的平面裂紋Williams級數(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)格細分的普通有限單元和奇異單元處理。文中詳細介紹了等參元和奇異元的一些基本概念以及構造原理等，并推導了二者的形函數(shù)，編制了相應的計算機程序。算例分析可知二者具有一個共同的缺陷：計算工作量大且不能直接確定裂尖應力強度因子，而需通過線性外推獲得，此過程復雜，容易引入人為誤差。
　　 第三部分：針對當前大多數(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、射裂縫裂尖處應力強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力強度因子。其單元模型中含有與應力強度因子相關的參數(shù)，可以直接確定裂尖處應力強度因子，有效避免了普通有限元后處理計算應力強度因子的缺陷。對Williams單元構造原理研究發(fā)現(xiàn)：該單元位移場不再用單元結(jié)點參數(shù)表示，而轉(zhuǎn)換為用總體場Williams級數(shù)中待定參數(shù)表示，因此奇異區(qū)內(nèi)單元離散個數(shù)多少對總體自由度數(shù)并無影響，

6、只取決于選取的Williams級數(shù)項數(shù)，由此細分奇異區(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)點坐標信息即可根據(jù)等比級數(shù)求和的方法形成奇異區(qū)內(nèi)Williams單元剛度方程，格式簡單，易于編程實現(xiàn)。
　　 第四部分：將本文方法與傳統(tǒng)的疲勞壽命預測理論和公式相結(jié)合，研究建立基于廣義參數(shù)計算反射裂縫擴展的疲勞壽命的預測模型，避免了傳統(tǒng)方法需根據(jù)結(jié)構響應量，先擬合確定應力強度因子再分析疲勞壽命

7、的兩步走思想。詳細分析了面層模量和厚度與疲勞壽命之間的關系，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待。
　　 第五部分：將傳統(tǒng)的Paris疲勞壽命預測公式改進為形式更為靈活的級數(shù)表達形式，并引入廣義參數(shù)計算路面結(jié)構的疲勞壽命，其形式簡單易被工程人員接受。算例中考慮了單變量的隨機性，利用蒙特卡洛抽樣模擬技術計算