典型瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的數(shù)值模擬技術(shù)研究.pdf

1、lT●ld●1J●州UmerlCalSlmUlatlonofFatigureCracksinTypicalAsphaltPavementAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofScienceBYLIU‰chenSupervisedbyProfessorHUANGXiao—mingSchoolofTransportationSoutheastUn

2、iversityJanuary2014摘要半剛性基層瀝青路面是我國(guó)應(yīng)用最普遍的公路瀝青路面形式，然而這種路面結(jié)構(gòu)在抵抗反射裂縫方面有較大缺陷。含有級(jí)配碎石或LSPM夾層的瀝青路面能彌補(bǔ)傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面在這方面的不足，是較好的結(jié)構(gòu)組合形式。兩者本身的材料特性使得反射裂縫被有效抑制，從而增大了路面的疲勞壽命。為了闡述反射裂縫在瀝青路面結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)展機(jī)理，對(duì)比三種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)在抵抗反射裂縫方面的能力優(yōu)劣，本文圍繞典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞

3、開裂問(wèn)題，從兩個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先是對(duì)瀝青混合料細(xì)觀層次的開裂路徑進(jìn)行模擬分析，其次對(duì)瀝青路面宏觀層次的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，以期從細(xì)觀和宏觀兩個(gè)角度闡述不同瀝青混合料以及不同路面結(jié)構(gòu)的抗反射裂縫特性。前半部分綜合應(yīng)用了圖像處理技術(shù)(DigitalImageProcessiong)和有限元軟件(Abaqus)，將瀝青混合料小梁試件的數(shù)碼照片，通過(guò)圖像增強(qiáng)、降噪、二值化和邊緣檢測(cè)等圖像處理手段，轉(zhuǎn)化為能夠表征瀝青砂漿、集料和空隙的三相

4、瀝青混合料矢量化數(shù)字試件，同時(shí)得到有關(guān)集料幾何特性和分布規(guī)律的相關(guān)數(shù)據(jù)。將矢量化圖形導(dǎo)入有限元軟件中，分別對(duì)瀝青砂漿和集料賦予材料屬性(包括開裂參數(shù)和損傷演化參數(shù))，從而得到瀝青混合料小梁有限元模型。在進(jìn)行三點(diǎn)彎曲虛擬力學(xué)試驗(yàn)?zāi)M開裂問(wèn)題時(shí)，采用擴(kuò)展有限元方法，該方法能避開裂縫尖端網(wǎng)格重構(gòu)的繁瑣，方便快捷地模擬裂縫在瀝青混合料中自下向上反射擴(kuò)展的過(guò)程。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果較好的解釋了反射裂縫在穿過(guò)瀝青砂漿、繞過(guò)集料邊緣和貫穿空隙時(shí)的擴(kuò)展機(jī)理。通

5、過(guò)對(duì)比裂縫在各類瀝青混合料中的擴(kuò)展路徑以及瀝青混合料在不同裂縫擴(kuò)展階段下的力學(xué)響應(yīng)，可以認(rèn)為具有骨架空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料(LSPM)具有較好的抗裂效果，其骨架的嵌擠結(jié)構(gòu)和較大的空隙率都成為抑制裂縫擴(kuò)展的因素，相反地，裂縫在密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)(AC和ATB)中的擴(kuò)展路徑較為自由且不受阻隔，混合料的抗裂性能較差。密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)(SMA)的抗裂性能介于兩種結(jié)構(gòu)之間。后半部分將有限元軟件和疲勞分析軟件(FESAFE)結(jié)合使用，彌補(bǔ)了有限元軟件缺乏疲勞分

6、析功能的不足，發(fā)揮了FESAFE在疲勞分析方面的優(yōu)勢(shì)。本文用該方法模擬了小梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將用數(shù)值模擬方法得到的小梁疲勞壽命同室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的在模擬瀝青混合料疲勞斷裂方面的可行性。隨后對(duì)三種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)(半剛性基層瀝青路面、級(jí)配碎石夾層瀝青路面和LSPM夾層瀝青路面)建立有限元模型，計(jì)算其在重載交通作用下的力學(xué)響應(yīng)。將有限元軟件的輸出文件導(dǎo)入到疲勞分析軟件中，分別對(duì)結(jié)構(gòu)各層賦予材料疲勞參數(shù)(雙對(duì)數(shù)疲勞方程相關(guān)參數(shù))

7、，分層考察路面結(jié)構(gòu)的疲勞情況并預(yù)估疲勞壽命。通過(guò)對(duì)比三種路面結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)以及疲勞壽命，得到層間接觸狀態(tài)、各層層厚對(duì)相關(guān)層位及路面整體的疲勞壽命影響。模擬結(jié)果表明盡管三種路面結(jié)構(gòu)的厚度依次減小，疲勞壽命卻依次提高，反射裂縫的擴(kuò)展速率則依次降低；級(jí)配碎石夾層結(jié)構(gòu)和LSPM夾層結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力水平相比半剛性基層結(jié)構(gòu)更安全，其瀝青層的疲勞壽命貢獻(xiàn)率更高。模擬結(jié)果綜合反映出級(jí)配碎石夾層結(jié)構(gòu)和LSPM夾層結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)半剛性基層結(jié)構(gòu)具有更好的抗裂性能