瀝青路面表面開裂的有限元分析.pdf

1、當(dāng)前，我國(guó)的公路建設(shè)正處于一個(gè)快速發(fā)展的階段，就已開通的高等級(jí)公路的使用狀況來看，普遍存在十分嚴(yán)重的早期破壞問題，而疲勞開裂是瀝青路面主要的早期破壞形式之一。由于交通荷載和低溫應(yīng)力的反復(fù)作用，瀝青路面中的微裂縫不斷擴(kuò)展、增密并貫穿連通形成宏觀裂縫，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞，縮短其使用壽命。傳統(tǒng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的彈性層狀體系模型未能反映瀝青路面結(jié)構(gòu)在整個(gè)壽命周期內(nèi)，大部分時(shí)間是帶裂縫工作的現(xiàn)狀。斷裂力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展是二十世紀(jì)力學(xué)領(lǐng)域中取得

2、的重要成就之一，其研究成果已在許多工程領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，將斷裂力學(xué)理論與有限元方法結(jié)合是分析路面開裂問題的有效途徑。對(duì)于在行車荷載反復(fù)作用下路面裂縫的擴(kuò)展，如引入斷裂力學(xué)相關(guān)理論，考慮裂縫尖端應(yīng)力奇異性，將會(huì)更接近于路面材料破壞的真實(shí)情況。鑒于此，本文基于疲勞斷裂力學(xué)理論建立有限元模型，分析了表面裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子與路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并采用Paris公式分析了表面裂縫的疲勞擴(kuò)展規(guī)律與疲勞壽命，得出以下結(jié)論： （1）在路面結(jié)構(gòu)

3、參數(shù)不變的條件下，面層應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂縫深度的增加而緩慢增加；在相同的裂縫深度的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著面層厚度的增加而逐漸減小。隨著面層厚度的增加，路面的疲勞壽命及抗裂性能得到加強(qiáng)，但當(dāng)增加到一定的程度時(shí)，其對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子和疲勞壽命的影響減小。 （2）面層模量對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的大小及疲勞壽命有很大影響，確定面層模量以及面層模量與基層模量的比值非常重要。在較低模量（<1400MPa）的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂縫深度關(guān)系曲線呈波峰

4、狀，在較高模量（>1400MPa）的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂縫深度的增加而增大，在接近面層底部會(huì)有一個(gè)比較急速的增大；在相同的裂縫深度的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著面層模量的增大而增大。 （3）基層模量不宜小于面層模量過多，其變化必須在一定的范圍?；鶎幽Ａ吭酱?，面層應(yīng)力強(qiáng)度因子越小；在相同的裂縫深度的情況下，面層應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著基層模量的增大而減小。在較高模量（>1500MPa）的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂縫深度關(guān)系曲線呈波峰狀，在

5、較低模量（<1500MPa）的情況下，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂縫深度的增加而增大，在接近面層底部會(huì)有一個(gè)比較急速的增大。當(dāng)基層模量>1500MPa的時(shí)候，基層模量對(duì)路面的疲勞壽命影響很小。 （4）底基層厚度對(duì)面層應(yīng)力強(qiáng)度因子的大小和疲勞壽命的影響不是很大，隨著底基層厚度的增加，面層應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，疲勞壽命也會(huì)隨之增加，但效果不明顯。因此，在路面設(shè)計(jì)中，將底基層作為設(shè)計(jì)層，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以彎沉值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)甚至是唯一的指標(biāo)是不夠全面