玻纤格栅抑制沥青加铺层反射裂缝的研究

论文摘要

沥青路面裂缝问题已经成为路面病害中严重问题之一,尤其在低温和超载严重地区。由于玻璃纤维格栅具有高抗拉性、与沥青混合料良好的相容性及集料嵌锁限制作用,在沥青路面加铺设计中被广泛使用。本文以我国寒冷地区宁夏的一段高速公路为典型路面结构,运用Ansys进行道路的温度场、力场及耦合场的数值模拟,本数值模拟成功地解决了裂缝结构的耦合场数值分析的问题,得出如下结论:随着每天温度地变化,裂缝尖端应力强度因子也在不断改变,为此本文提出动态应力强度因子概念。从动态应力强度因子K1的变化规律可得,在进行路面加铺抗裂设计时,首先应该考虑到一天当中温度最低时的温度荷载;其次要选择本段道路交通量中轴重最大的车辆进行专项设计。无论有无玻纤格栅层,动态应力强度因子与加铺层厚度成反比,这证明了增加加铺层厚度有利于抑制裂缝反射。动态应力强度因子最大值随加铺层厚度变化梯度约为-1.48×104Pa.m1/2/cm,随AG层模量的变化梯度约为1.44×104Pa.m1/2/MPa。根据加铺层底部应力等效原则,有玻纤格栅层的加铺层厚度大约为无玻纤材料时加铺厚度的一半。纯车载与耦合场条件下的加铺层底部应力比值最大可达到5.4,裂缝尖端点应力比值最高得2.8,所以在我国寒冷地区路面设计中,温度载荷不应该简化计算或忽略。路面结构内部出现最低温度的时间比路表要晚,温度延迟梯度大小约为20分钟/cm。对于含玻纤格栅层的路面结构,裂缝尖端点应力大约是加铺层底部应力的3倍以上,这说明玻纤格栅层对裂缝尖端应力的过滤吸收作用。针对沥青混合料疲劳试验与道路实际状况不吻合的状况,本文设计出新型试验方案。通过新型疲劳对比试验得出:无论有无玻纤格栅层,加大加铺层厚度是抑制旧路面裂缝向上反射的一种方法,却是以经济为代价地;在同等加铺条件下,有玻纤格栅层的比无玻纤格栅层的路面寿命最小能提高的50%,最大能提高5到6倍。在低温的情况下,玻纤层提高路面寿命的效果非常明显;在加铺层厚度比较厚并且温度较高时,玻纤格栅层起到的效果不是非常明显。试件裂缝发展规律截然不同,有玻纤格栅层的试件裂缝出现地晚并且发展非常缓慢,而无玻纤格栅的试件裂缝出现早并且发展迅速。无玻纤格栅的试件在断裂后一分为二即完全断裂破坏;而有玻纤格栅的试件在断裂后格栅上部结构仍然连接完好,没有完全破坏。无玻纤格栅层时,试件疲劳寿命与温度成正比关系;有玻纤格栅层时,疲劳寿命与温度是成反比关系。从经济性和适用性考虑,在低温地区加铺一层玻纤格栅材料是非常好的选择。根据室内实验和数值模拟数据,总结出含玻纤格栅材料的加铺层厚度的设计方法:先按照规范法进行路面加铺层常规厚度设计,再按常规设计厚度的一半进行实际加铺。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 玻璃纤维格栅简介
• 1.4 本文研究内容
• 2 沥青加铺层反射裂缝的断裂力学分析
• 2.1 断裂力学基础
• 2.2 裂纹尖端附近的应力场分析
• 2.2.1 裂纹尖端应力场
• 2.2.2 应力场强度因子和断裂韧性
• 2.3 应力强度因子的有限元解法
• 2.3.1 有限元裂缝解法的概述
• 2.3.2 等参奇异单元
• 2.3.3 应力强度因子的有限元解
• 2.4 沥青加铺层反射裂缝的模型设计
• 2.4.1 沥青加铺层反射裂缝的概述
• 2.4.2 反射裂缝尺寸及位置
• 2.4.3 裂缝强度因子的正负号
• 2.5 本章小结
• 3 复杂环境下复合式沥青加铺层反射裂缝的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.1.1 两个概念
• 3.1.2 沥青路面本构关系
• 3.2 沥青加铺层路面有限元模型参数
• 3.2.1 沥青加铺层厚度
• 3.2.2 含复合式沥青加铺层的路面结构
• 3.2.3 Ansys模拟试验设计思路
• 3.3 模拟参数的确定
• 3.3.1 有限元模拟的力学参数
• 3.3.2 温度场模拟参数
• 4 复合式沥青加铺层ANSYS数值模拟
• 4.1 复合式沥青加铺层的温度场数值模拟
• 4.1.1 温度有限元模拟理论
• 4.1.2 有限元模型
• 4.1.3 单元选取及网格划分
• 4.1.4 温度荷载
• 4.1.5 结果分析
• 4.2 复合式沥青加铺层纯车载应力场数值模拟
• 4.2.1 计算理论
• 4.2.2 有限元分析
• 4.2.3 计算结果
• 4.2.4 计算结果分析
• 4.3 复合式沥青加铺层耦合应力场数值模拟
• 4.3.1 带反射裂缝耦合分析
• 4.3.2 计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 复合式路面加铺层的疲劳实验研究
• 5.1 沥青混凝土疲劳特性分析基本理论
• 5.1.1 疲劳相关的基本概念及参数
• 5.1.2 疲劳分析的基本理论
• 5.2 沥青加铺层疲劳裂缝理论分析
• 5.2.1 疲劳裂缝产生的主要原因
• 5.2.2 疲劳裂缝防治
• 5.3 沥青混合料疲劳对比实验
• 5.3.1 试验方法
• 5.3.2 试验设计
• 5.3.3 试验材料
• 5.3.4 试验系统及试验设备
• 5.3.5 试件制作
• 5.4 试验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间发表论文