典型瀝青路面結構疲勞開裂的數(shù)值模擬技術研究.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應用最普遍的公路瀝青路面形式，然而這種路面結構在抵抗反射裂縫方面有較大缺陷。含有級配碎石或LSPM夾層的瀝青路面能彌補傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面在這方面的不足，是較好的結構組合形式。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構中的擴展機理，對比三種典型瀝青路面結構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構的疲勞

3、開裂問題，從兩個方面進行數(shù)值模擬研究。首先是對瀝青混合料細觀層次的開裂路徑進行模擬分析，其次對瀝青路面宏觀層次的疲勞壽命進行預估，以期從細觀和宏觀兩個角度闡述不同瀝青混合料以及不同路面結構的抗反射裂縫特性。前半部分綜合應用了圖像處理技術(DigitalImageProcessiong)和有限元軟件(Abaqus)，將瀝青混合料小梁試件的數(shù)碼照片，通過圖像增強、降噪、二值化和邊緣檢測等圖像處理手段，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，同時得到有關集料幾何特性和分布規(guī)律的相關數(shù)據(jù)。將矢量化圖形導入有限元軟件中，分別對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。在進行三點彎曲虛擬力學試驗模擬開裂問題時，采用擴展有限元方法，該方法能避開裂縫尖端網(wǎng)格重構的繁瑣，方便快捷地模擬裂縫在瀝青混合料中自下向上反射擴展的過程。數(shù)值試驗結果較好的解釋了反射裂縫在穿過瀝青砂漿、繞過集料邊緣和貫穿空隙時的擴展機理。通

5、過對比裂縫在各類瀝青混合料中的擴展路徑以及瀝青混合料在不同裂縫擴展階段下的力學響應，可以認為具有骨架空隙結構的瀝青混合料(LSPM)具有較好的抗裂效果，其骨架的嵌擠結構和較大的空隙率都成為抑制裂縫擴展的因素，相反地，裂縫在密實懸浮結構(AC和ATB)中的擴展路徑較為自由且不受阻隔，混合料的抗裂性能較差。密實骨架結構(SMA)的抗裂性能介于兩種結構之間。后半部分將有限元軟件和疲勞分析軟件(FESAFE)結合使用，彌補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。本文用該方法模擬了小梁的三點彎曲試驗，將用數(shù)值模擬方法得到的小梁疲勞壽命同室內(nèi)試驗結果對比，驗證了該方法的在模擬瀝青混合料疲勞斷裂方面的可行性。隨后對三種典型瀝青路面結構(半剛性基層瀝青路面、級配碎石夾層瀝青路面和LSPM夾層瀝青路面)建立有限元模型，計算其在重載交通作用下的力學響應。將有限元軟件的輸出文件導入到疲勞分析軟件中，分別對結構各層賦予材料疲勞參數(shù)(雙對數(shù)疲勞方程相關參數(shù))

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