（岩土工程专业论文）沥青加铺层反射裂缝扩展行为模拟及疲劳寿命预估.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：荸叠睹 学位论文使用授权说明 捌。年毛窍2 j 0e l 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 叼即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：月d 移日 沥青加铺层反射裂缝扩展行为模拟及疲劳寿命预估 摘要 目前在国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用最多的是加铺沥青混 凝土，如何防治反射裂缝是旧水泥混凝土路面沥青加铺层主要解决的问题 之一。迄今为止，世界各国在反射裂缝扩展行为和沥青加铺层疲劳寿命方 面的研究成果甚少。本文以此为重点开展系统深入的研究。 采用有限元软件a b a q u s 建立平面应变模型，分别对比分析有无设置应 力吸收层的两种沥青加铺层结构在车辆荷载、温度荷载和耦合荷载作用下 裂缝尖端应力应变场。分析结果表明设置应力吸收层后，裂缝尖端应力应 变场得到极大改善，应力吸收层具有良好的阻裂效果。 分别取反射裂缝长度为l c m 、4 c m 和8 c m 代表裂缝扩展的初期、中期和 后期3 个阶段，分析裂缝尖端应力强度因子在车辆荷载( 静、动荷载) 、温 度荷载和耦合荷载作用下变化规律。结果表明，随着沥青加铺层和应力吸 收层厚度增加，裂缝尖端应力强度因子随之减小。此外，旧水泥混凝土路 面接缝宽度、车辆轴载、行车速度、温度状况等因素也对裂尖应力强度因 子有很大的影响。 采用断裂力学理论并结合有限元法分别对荷载型、温度型和耦合型反射 裂缝扩展路径进行数值模拟。分析结果表明在车辆荷载作用下扩展路径偏 向荷载作用一侧，裂缝扩展角随着裂缝偏离中线距离的增加而增大；在温 度荷载作用下扩展路径沿着初始反射裂缝垂直向上延伸；在耦合荷载作用 下扩展路径偏向于无荷载作用一侧向上扩展，裂缝扩展角随着裂缝偏离中 i 线距离的增加而逐渐减小。 利用裂缝扩展路径分析结果并结合裂缝疲劳扩展模型分别对沥青加铺 层荷载型、温度型和耦合型疲劳寿命进行预估。分析结果表明材料的断裂 参数n 和么对沥青加铺层疲劳寿命有较大的影响，通过增加沥青加铺层和 应力吸收层的厚度，减小沥青加铺层模量等措施可以有效延长沥青加铺层 的疲劳寿命。在理论分析的基础上，建立了沥青加铺层疲劳寿命的预估模 型。 关键词：沥青加铺层应力吸收层反射裂缝应力强度因子扩展路径 疲劳寿命 i i c r a c kp r o p a g a t i o nb e h a v i o rs i m u l a t i o na n d f a t i g u el i f ep r e d i c t i o no fa s p h a i j ro v e r l a y a b s t r a c t c u r r e n t l ya th o m ea n da b r o a d ，p a v i n ga s p h a l tc o n c r e t ei st h em o s tw i d e l y u s e di no l dc e m e mc o n c r e t ep a v e m e mr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t ；h o wt op r e v e n t r e f l e c t i o nc r a c ki so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e mt h a tn e e dt os o l v ew h e np a v i n g a s p h a l tc o n c r e t ei no l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t u pt on o w , t h er e s e a r c h a c h i e v e m e n t so fr e f l e c t i o nc r a c kp r o p a g a t i o nb e h a v i o ra n dt h ef a t i g u el i f eo f a s p h a l to v e r l a ya r el e s si nt h ew o r l d t h i sp a p e rw i l lp u te m p h a s i so nt h i sp a r tt o g oi n t od e e pa n ds y s t e m i cr e s e a r c h b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s t ob u i l dp l a n es t r a i nm o d e l ，i ti s t o c o m p a r a t i v e l ya n a l y z et h es t r e s s s t r a i n f i e l do fr a c kt i po ft w oo v e r l a y s t r u c t u r eo fw i t ho rw i t h o u ts e t t i n gs t r e s sa b s o r b i n gl a y e rr e s p e c t i v e l yu n d e r v e h i c l el o a d ，t e m p e r a t u r el o a da n dc o u p l i n gl o a d t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e r s e t t i n gu ps t r e s sa b s o r b i n gl a y e r , t h es t r e s s s t r a i n f i e l do fr a c kt i ph a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e d ，a n dt h es t r e s sa b s o r b i n gl a y e rh a sg o o da n t i c r a c ke f f e c t b yr e s p e c t i v e l yt a k i n gc r a c kl e n g t ho flc m ，4 c ma n d8 c m ，w h i c hr e p r e s e n t s t h ei n i t i a ls t a g e ，t h ei n t e r m e d i a t es t a g ea n dt h el a t e rs t a g eo fc r a c kp r o p a g a t i o n ， i ti st oa n a l y z et h ev a r i a t i o nl a wo fc r a c k t i ps t r e s si n t e n s i t yf a c t o ru n d e r v e h i c l e l o a d ( s t a t i c ，d y n a m i c ) ，t e m p e r a t u r el o a da n dc o u p l i n gl o a d t h er e s u l t ss h o w t h a t i l i i tc a l le f f e c t i v e l yr e d u c ec r a c kt i ps t r e s si n t e n s i t yf a c t o rb yi n c r e a s i n ga s p h a l t o v e r l a yt h i c k n e s sa n ds t r e s sa b s o r b i n gl a y e rt h i c k n e s s f u r t h e r m o r e ，i ti sa l s o a f f e c t e db yjo i n tw i d t h ，v e h i c l ea x l el o a d ，v e h i c l es p e e d ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n b yu s i n gf r a c t u r em e c h a n i c st h e o r ya n dc o m b i n e dw i t hf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，i ti s t on u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e p r o p a g a t i o np a t ho fl o a d ， t e m p e r a t u r ea n dc o u p l i n gr e f l e c t i o nc r a c k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p a g a t i o n p a t hw a sp a r t i a lt ol o a d i n gs i d eu n d e rv e h i c l el o a d ，a n dt h ec r a c kp r o p a g a t i o n a n g l ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gd i s t a n c eo fd e v i a t i o nm i d l i n ，t h ep r o p a g a t i o n p a t hw a sv e r t i c a lu p w a r da l o n gi n i t i a lr e f l e c t i o nc r a c ku n d e rt e m p e r a t u r el o a d ； t h ep r o p a g a t i o np a t hl e a nt oe x t e n du p w a r da tn ol o a d i n gs i d eu n d e rc o u p l i n g l o a d ，w h i c hc r a c kp r o p a g a t i o na n g l ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ed i s t a n c eo f d e v i a t i o nm i d l i n e b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so fc r a c kp r o p a g a t i o np a t ha n dc o m b i n e dw i t h f a t i g u ee x t e n d e dm o d e l ，t h ef a t i g u e l i f ei s p r e d i c t e dr e s p e c t i v e l yo nl o a d ， t e m p e r a t u r ea n dc o u p l i n g t h er e s u l t ss h o w t h a tp a r a m e t e rna n dah a v eag r e a t i n f l u e n c eo nt h ef a t i g u el i f eo fa s p h a l to v e r l a y ；i tc a ne f f e c t i v e l yp r o l o n gt h e f a t i g u el i f eo fa s p h a l to v e r l a yb yi n c r e a s i n ga s p h a l to v e r l a yt h i c k n e s sa n d s t r e s s a b s o r b i n gl a y e rt h i c k n e s s ，d e c r e a s i n ga s p h a l to v e r l a ym o d u l u sa n d s oo n o nt h e b a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ef o r m u l aa b o u tt h ep r e d i c t i o n so ff a t i g u el i f e w a sf i r e do u t k e yw o r d s ：a s p h a l to v e r l a y ；s t r e s sa b s o r b i n gl a y e r ；r e f l e c t i o nc r a c k ； s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ；p r o p a g a t i o np a t h ；f a t i g u el i f e i v 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 目录 i i i i l 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 国内外旧混凝土路面沥青加铺层反射裂缝扩展问题的研究现状l 1 2 2 国内外旧混凝土路面沥青加铺层疲劳寿命研究现状3 1 3 本论文主要研究内容4 1 4 技术路线5 第二章应力吸收层阻裂效果分析 6 2 1 基本理论6 2 2 有限元分析模型建立1 0 2 2 1 有限元模型与计算参数一1 o 2 2 2 最不利荷位的确定1 1 2 3 应力吸收层阻裂效果分析l2 2 3 1 车辆静荷载作用对比分析1 3 2 - 3 2 温度荷载作用对比分析一15 2 3 3 耦合荷载作用对比分析1 6 2 4 本章小结17 第三章沥青加铺层应力强度因子分析 3 1 车辆静荷载作用下应力强度因子分析1 9 3 1 1 路面结构层参数变化对应力强度因子的影响1 9 3 1 2 接缝参数变化对应力强度因子的影响2 4 3 1 3 轴载变化对应力强度因子的影响2 6 3 1 4 层间接触状态变化对应力强度因子的影响2 7 3 2 温度荷载作用下应力强度因子分析2 9 3 2 1 基本理论、分析模型的简化及温度场的确定2 9 3 2 2 参数变化对温缩型反射裂缝应力强度因子的影响3 0 v 3 2 - 3 应力强度因子松弛影响分析3 4 3 3 车辆动荷载作用下应力强度因子分析3 6 3 3 1 基本理论、分析模型的简化及荷载场的确定3 6 3 3 2 参数变化对动应力强度因子影响分析3 9 3 3 3 循环动荷载作用下动应力强度因子分析。4 7 3 3 4 应力强度因子动力响应分析4 8 3 4 耦合荷载作用下应力强度因子分析5 3 3 4 1 降温幅度变化对耦合应力强度因子的影响。5 4 3 4 2 路面结构层参数变化对耦合应力强度因子的影响5 4 3 5 本章小结5 5 第四章沥青加铺层反射裂缝扩展路径模拟5 7 4 1 基本理论5 7 4 2 裂缝扩展路径模拟的计算思路5 7 4 3 车辆静荷载作用下反射裂缝扩展路径模拟5 8 4 3 1 典型结构荷载型反射裂缝扩展路径模拟5 8 4 3 2 路面结构层参数变化条件下荷载型反射裂缝扩展路径模拟一6 l 4 3 3 轴载变化条件下荷载型反射裂缝扩展路径模拟6 5 4 3 4 荷载作用位置变化条件下荷载型反射裂缝扩展路径模拟6 6 4 4 温度荷载作用下反射裂缝扩展路径分析6 7 4 4 1 典型结构温度型反射裂缝扩展路径模拟6 7 4 4 2 路面结构层参数变化条件下温度型反射裂缝扩展路径模拟7 0 4 4 3 降温幅度变化条件下温度型反射裂缝扩展路径模拟7 3 4 5 耦合荷载作用下反射裂缝扩展路径分析7 4 4 5 1 典型结构耦合型反射裂缝扩展路径模拟7 4 4 5 2 路面结构层参数变化条件下耦合型反射裂缝扩展路径模拟7 7 4 6 本章小结8 l 第五章沥青加铺层疲劳寿命预估 5 1 概j 苤8 3 5 2 车辆静荷载作用下沥青加铺层疲劳寿命分析8 4 5 2 1 疲劳模型材料参数变化对荷载疲劳寿命的影响8 4 5 2 2 路面结构层参数变化对荷载疲劳寿命的影响8 5 5 2 3 轴载变化对荷载疲劳寿命的影响8 9 5 3 温度荷载作用下沥青加铺层疲劳寿命分析9 0 5 3 1 路面结构层参数变化对温度疲劳寿命的影响9 0 5 3 2 降温幅度变化对温度疲劳寿命的影响。9 3 5 4 耦合荷载作用下沥青加铺层疲劳寿命分析9 4 5 4 1 路面结构层参数变化对耦合疲劳寿命的影响9 4 5 5 本章小结9 8 第六章结论及展望9 9 6 1 主要结论9 9 6 2 有待进一步研究的问题1 0 0 参考文献 攻读学位期间发表的学术论文 致谢 i 广西大缚嘱曩士掌位截吁沥青力a 铺层反射裂翻h 广晨行为模拟及疲劳寿命预估 第一章绪论 1 1 研究背景 广西是我国应用水泥混凝土路面最为广泛的省市之一，2 0 0 5 年以前修建的高速公路 全部采用水泥混凝土路面。从目前的运营情况来看，水泥混凝土路面部分路段随着使用 年限的增长出现不同程度结构性和功能性破坏，严重影响车辆行驶安全和道路服务水 平。由于沥青加铺层能够有效改善旧水泥混凝土路面使用性能，目前在国内外旧水泥混 凝土路面改造工程中应用最多。但由于旧水泥混凝土路面接缝处容易产生反射裂缝，从 而缩短沥青加铺层使用寿命。 如何防治反射裂缝是旧水泥混凝土路面沥青加铺层主要解决问题之一，目前世界各 国针对该问题开展了大量卓有成效的研究，已取得一些科研成果，但鉴于该问题的复杂 性，很多成果离实际应用仍有一段距离，对于沥青加铺层反射裂缝机理的研究仍处于初 级阶段，取得的科研成果多停留在试验路施工技术方面的总结，对其扩展行为机理尚未 能从更深层的理论角度进行分析，包括对材料性能的进一步研究及分析模型的进一步完 善等。目前国内外从断裂力学和数值分析角度对沥青加铺层结构进行了一些研究，但对 于沥青加铺层反射裂缝扩展行为和疲劳寿命的研究甚少，对设置应力吸收层后的加铺层 结构反射裂缝扩展行为模拟和疲劳寿命预估研究未见报道。因此，本文以此作为研究重 点，对沥青加铺层反射裂缝扩展行为和疲劳寿命进行研究，揭示应力吸收层的阻裂机理， 为沥青加铺层的抗裂设计提供理论依据和技术参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外旧混凝土路面沥青加铺层反射裂缝扩展问题的研究现状 ( 1 ) 采用有限元方法研究反射裂缝扩展问题 目前国内外许多学者利用有限元方法对旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝扩 展和机理进行了数值模拟，取得了一些成果。随着计算机软硬件条件迅速发展，有限元 分析方法在反射裂缝的力学理论分析领域逐步成为一种更为有效成熟的研究方法。 在国外，j m r i g o s 、s c e s c o t t o 和p j k u c k 等学者- ( 1 9 9 3 ) t 1 】开发一种用于模拟旧水 泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝扩展的有限元程序，通过该程序可以考虑荷载位置变 化及温度变化对反射裂缝的影响。b i t e n c o u r tt n 和w a w r z y n e kp a ( 1 9 9 6 ) t 2 】提出当裂纹扩 展时，把裂纹周围的四边形单元组成的网格退掉，然后以三角形单元重新划分，从而得 到光滑的裂纹边；k l e i n p 和g a o h 3 1 引用虚拟联结单元建立模型来解决裂纹扩展问题。 l 蕾f 青加铺层瓯射裂缝扩展行为模拟及疲劳习；命翻订智 s c 哟丘等学者( 2 0 0 5 ) 【4 】基于p l c 的宏观本构模型预测反射裂缝扩展。 在国内，谈至t j j ( 1 9 9 7 ) t s l 引入一个较好揭示路面张开型反射裂缝产生机理的系数 应变反射系数，给出了它在不同夹层状况、地基摩阻现象以及面层采用局部处理等 场合下的计算显式。周富杰、孙立军( 1 9 9 9 ) 【6 j 采用三维有限元分析技术，分析了层间接 触条件、罩面层厚度、夹层类防反措施对裂缝尖端应力和反射裂缝的影响。杨斌( 2 0 0 5 ) p 】 采用有限元方法分析旧水泥混凝土路面沥青加铺层初始反射裂缝尖端在车辆荷载和温 度作用下应力强度因子变化规律，同时对沥青加铺层的荷载应力和温度应力进行分析， 并着重分别分析沥青加铺层结构在设置应力吸收层、土工合成材料、级配碎石层和大粒 径沥青碎石层后应力变化规律。郑选荣( 2 0 0 5 ) 8 】考虑行车荷载和温度荷载两种环境因素 以及耦合荷载作用对沥青加铺层反射裂缝扩展行为进行分析。苑红凯( 2 0 0 6 ) 【9 】运用有限 元方法分析了裂缝尖端动应力强度因子随道路结构体阻尼、车辆荷载作用周期以及路面 结构参数的变化规律。杨斌、陈拴发、z f 秉纲( 2 0 0 6 ) 1 0 】采用有限元方法分析在车辆荷载 和温度作用下沥青加铺层裂尖应力强度因子随沥青加铺层厚度、初始裂纹长度、不同降 温幅度和轴载等参数变化的规律。 ( 2 ) 采用断裂力学方法研究反射裂缝扩展问题 从断裂力学及疲劳断裂力学角度出发，可以认为沥青加铺层的破坏是由于旧水泥混 凝土路面接缝的存在从而引起沥青加铺层的应力集中与内部损伤，当裂尖应力集中与损 伤累积超过材料与沥青加铺层结构抵抗破坏的容许值时，裂缝开始发生扩展，进而导致 沥青加铺层结构的破坏。 在国外，p c p a r i s 和e f r d o g a n 等人( 1 9 6 3 ) 【1 1 1 和m a j d z a d e hr a m s r m o o j 等( 1 9 8 7 ) 【1 2 l 最早应用断裂力学理论开展路面材料断裂规律的研究。d v r a m s a m o o j ( 2 0 0 3 ) 1 3 j 从断裂 力学角度出发建立一个线性近似用于从平面应力逐渐过渡到平面应变的反射裂缝分析 模型。a r a s hy a v a r i ，h a m e dk h e z r z a d e h ( 2 0 1 0 ) 1 1 4 】基于断裂力学理论得出了动态的应力奇 异性传播秩序用于模拟裂缝扩展。 在国内，张起森( 1 9 8 7 ) 【1 5 】应用p a r i s 疲劳方程分析了含反射裂缝的半刚性路面结构体 的应力场。张起森、郑健龙、周志刚等学者f 1 6 1 8 1 把断裂力学理论应用于路面裂缝的计算。 符冠华、；饧军( 2 0 0 0 ) 1 1 9 】在三维有限元静力分析的基础上，运用断裂力学分析由于夹层的 存在裂缝区应力强度因子的变化。周富杰、孙立军( 2 0 0 2 ) 【2 0 】应用断裂力学分析了裂缝长 度对反射裂缝扩展速度的影响，并通过修筑试验路验证力学分析结果。毛成( 2 0 0 4 ) 【2 1 】应 用自编的断裂力学有限元程序，通过网格显式模拟沥青路面结构中裂纹的扩展路径。王 2 在国内，周志刚等学者( 1 9 9 7 ) 【2 7 】运用w i l l i a m s 级数和平面应变有限元方法，研究了 路面等层状结构物中垂直界面裂缝尖端应力场的奇异性。才华、张敏江等学者( 1 9 9 7 ) 口剐 从断裂力学及疲劳损伤力学的观点出发，对沥青路面的反射裂缝的断裂疲劳进行了分析 和模拟计算，并采用三维有限元中的节理单元模拟在真实条件下裂缝的扩展，探讨了反 射裂缝的产生和扩展机理。孙雅珍、槲( 2 0 0 2 ) t 2 9 】采用粘弹性与损伤的分析理论建立 三维粘弹性有限元模型模拟含反射裂缝沥青路面中裂缝的扩展过程，得出在不同加载时 间和不同变温下裂缝的扩展规律。周志刚( 2 0 0 3 ) 【l8 l 应用疲劳损伤力学理论对沥青混凝土 加铺层疲劳损伤断裂全过程的进行数值模拟计算。王金昌( 2 0 0 3 ) 【3 0 j 基于弹性力学、塑性 力学、线弹性断裂力学、弹性损伤力学等理论，对软土地基上的半刚性路面结构体反射 裂缝的扩展过程进行有限元数值模拟。齐艳( 2 0 0 3 ) 【3 l 】应用损伤理论建立有限元程序模拟 旧水泥混凝土路面上沥青罩面层反射裂缝在荷载作用下反射裂缝的产生和发展过程。艾 伊塞尔纳吉德( 2 0 0 5 ) 【3 2 】基于断裂力学理论和有限元模型，结合静态与动态荷载作用下的 裂缝扩展试验，对若干沥青罩面抗开裂系统进行了对比研究，提出了复合结构沥青罩面 抗裂系统的概念。龙光、王昌衡、刘建荣( 2 0 0 8 ) 1 3 3 】采用奇异单元及断裂力学理论，对路 面面层反射裂缝进行了数值分析，分析了各层不同模量对面层反射裂缝应力强度因子的 影响以及裂缝在面层中扩展中应力强度因子的变化规律。 1 2 2 国内外旧混凝土路面沥青加铺层疲劳寿命研究现状 国内外在沥青加铺层疲劳寿命的理论分析已开展了一些研究工作。早期的研究大多 是基于经验公式或传统的层状结构力学计算方法。目前国内外普遍采用基于应力强度因 子经验性总结的p a r i s 公式，用以描述沥青路面疲劳裂缝扩展过程，并以此计算疲劳裂 缝扩展寿命【2 0 】。在机械、航空、桥梁、钢筋混凝土等方面进行了大量的疲劳寿命预估研 沥- j l i - 力口铺层反射j 奠角h 广晨行为模扫及疲劳习p 命舅n 古 究，主要的研究方法有灰色理论、可靠度理论、人工神经网络、时变可靠度理论等【3 4 3 7 1 。 在国外，a l ik h o d a i i 等学者( 2 0 0 9 ) 【3 8 】采用疲劳断裂力学理论研究土工合成材料对沥 青加铺层疲劳寿命影响。在国内，冯建亚( 2 0 0 2 ) f 3 9 】采用有限元方法对沥青混凝土罩面层 的使用寿命预估问题进行了较为系统的研究。周志刚( 2 0 0 3 ) 【18 】应用疲劳损伤力学理论与 方法探讨地基支承条件、接缝传荷能力、沥青混凝土加铺层厚度以及加筋作用等因素对 沥青混凝土加铺层疲劳损伤寿命的影响。徐东伟( 2 0 0 5 ) t 4 0 】通过疲劳断裂力学对加铺层的 疲劳寿命进行估算，并结合疲劳寿命估算提出了加铺层的结构设计方法。艾伊塞尔纳吉 德, ( 2 0 0 5 ) t 3 2 1 基于断裂力学理论并结合静态与动态荷载作用下的裂缝扩展试验，通过积分 p a r i s 定律预测沥青加铺层在不同裂缝初始长度和不同外部荷载下的扩展寿命。郭乃胜、 赵颖华、俞远征( 2 0 0 5 ) 采用平面应变有限单元法，考虑在车辆荷载和温度荷载耦合作用 下对含有反射裂缝的路面体结构的疲劳寿命进行了计算。陶杰( 2 0 0 8 ) 【4 2 】运用疲劳断裂理 论给出沥青加铺层反射裂缝疲劳扩展寿命的计算方法。王朝辉、q ：j 舱( 2 0 0 8 ) t 4 3 1 利用有 限元软件分析不同夹层位置下的沥青加铺层结构疲劳寿命。 1 3 本论文主要研究内容 本文以广西南宁至柳州高速公路典型沥青加铺层结构作为研究背景，对旧水泥混凝 土路面沥青加铺层反射裂缝的扩展行为进行数值模拟，并对沥青加铺层疲劳寿命进行预 估。主要研究内容如下： ( 1 ) 应力吸收层阻裂效果分析 有、无设置应力吸收层两种沥青加铺结构层应力强度因子分析：车辆荷载( 静荷 载) 作用对比分析；温度荷载作用对比分析；耦合荷载作用对比分析。 ( 2 ) 沥青加铺层应力强度因子分析 车辆荷载( 静荷载) 作用下应力强度因子分析；温度荷载作用下应力强度因子 分析；动荷载作用下应力强度因子分析；耦合荷载作用下应力强度因子分析。 ( 3 ) 沥青加铺层反射裂缝扩展路径模拟 车辆荷载( 静荷载) 作用下反射裂缝扩展路径模拟；温度荷载作用下反射裂缝 扩展路径模拟；耦合荷载作用下反射裂缝扩展路径模拟。 ( 4 ) 沥青加铺层疲劳寿命预估 车辆荷载( 静荷载) 作用下沥青加铺层疲劳寿命分析；温度荷载作用下沥青加 铺层疲劳寿命分析；耦合荷载作用下沥青加铺层疲劳寿命分析。 4 广西大掌硕士掌位论文 沥- j i l - 加铺屡反射裂角日广展行为模拱及疲劳寿舌，曩估 1 4 技术路线 本文将围绕旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝有限元模型的建立、应力强度因 子影响因素分析，模拟沥青加铺层反射裂缝的扩展行为，并结合断裂力学理论建立沥青 加铺层疲劳寿命预估模型。主要的技术路线如下： ( 1 ) 建立旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝有限元模型；确定最不利车辆荷 载作用位置；分别对有、无设置应力吸收层两种沥青加铺层结构在车辆静荷载、温度荷 载和耦合荷载作用下裂缝尖端应力应变场进行对比分析。 ( 2 ) 取反射裂缝3 个典型裂缝长度为i c m 、4 c m 和8 c m 分别代表裂缝扩展的初期、 中期和后期3 个阶段，分别分析在车辆荷载( 静、动荷载) 、温度荷载和耦合荷载作用 下裂缝尖端应力强度因子变化规律。 ( 3 ) 通过预估每一步反射裂缝开裂步长和扩展角度来分别模拟沥青加铺层荷载型、 温度型和耦合型反射裂缝的扩展行为。 ( 4 ) 根据第3 步扩展行为分析结果并结合断裂力学p a r i s 公式对沥青加铺层荷载疲 劳寿命、温度疲劳寿命和耦合疲劳寿命进行预估，建立计算参数与疲劳寿命之间关系式。 技术路线图如图1 1 所示： 图1 1 技术路线图 f i g 1 1t e c h n o l o g yr o a d m a p 沥青加铺层反射裂缝扩展行为模拟及疲劳考；命霞估 第二章应力吸收层阻裂效果分析 本章基于断裂力学基本理论，简要介绍本文运用到的计算理论，运用大型商业有限 元软件a b a q u s 建立有限元平面应变模型，分别对比分析有无设置应力吸收层两种加 铺层结构在车辆静荷载、温度荷载和耦合荷载作用下反射裂缝尖端应力应变场。 2 1 基本理论 ( 1 ) 裂缝基本类型 根据断裂力学基本原理根据裂缝受力情况不同分为3 种基本类型：张开型( i 型) 、 剪切型( i i 型) 和撕开型( i i i 型) ，如图2 1 所示【4 4 1 。 ( a ) 张开型( 1 型)( b ) 剪切型( 1 l 型)( c ) 撕开型( i i i 型) 图2 1 裂缝扩展模式 f i g 2 - lc r a c km o d e i 型裂缝是受到垂直于裂纹面拉应力作用，裂缝面相对张开。i i 型裂缝是受平行于 裂缝面而垂直于裂缝尖端线剪应力作用，裂缝上下两表面沿z 轴相对滑开。i i i 型是裂 缝受既平行于裂缝面又平行于裂缝尖端线剪应力作用，上下两表面沿x 轴相对错开。 ( 2 ) 裂缝尖端奇异场 由弹性问题的解析函数方法，求出线弹性断裂力学中i 、i i 、i i i 型裂缝问题的裂缝 尖端奇异场【4 4 1 ，计算简图见图2 2 。 y o 谢) 五 y 五 反射裂缝 r 七 图2 - 2 裂缝尖端微小区域 f i g 2 2c r a c kt i pt i n ya r e a 6 图2 - 3 j 积分示意图 f i g 2 3j - i n t e g r a ls c h e m a t i cd i a g r a m 广西大曹明炙士学位论文沥青加訇l 层反射裂缝扩展行为模拟a | 良勇习- 命预估 i 型裂缝【删 吒= 去 - 1c o s 弘甄n 争詈)吒2 面s j i 、1 。锄i8 1 n 了j o ：善c o s 旦f ，1 “n 旦s i i l 驾 y 。面- - 1 s i l l 。8 1 n i 汕- j k 993 0 一 s i n i s i s 了 “= 硒k 1 压rp 1 ) c 。s 詈 y = 硒k 1 厨r 阶1 ) s i 哇 式中：爵- i 型裂缝应力强度因子； ，、口以裂缝尖端为坐标原点的极坐标； ( 2 - 1 ) g 含裂缝弹性体的剪切模量，z = ( 3 一) ( 1 + ) 为平面应力，3 4 p 为平面 应变( 为材料泊松比) 。 i i 型裂缝【4 4 1 仃。：一皂s i n 旦f2 + c o s 旦c o s 丝1 仃，2 一了券sn 一2 1 2 + c o s 一2c o s 一2j 1 2 刀l 旷去s i n 扣扣詈 k ，：皂c o s 旦f1 “n 旦s i - - i in 竺1 2 面s 虿l 卜8 1 n i 锄i j 材= 鲁蚓阶3 ) s i n 扣n 詈l 一鲁闫防3 ) c o s 扣s 詈l 式中：蜀h i 型裂缝应力强度因子；其他参量同i 型裂缝问题。 i i i 型裂缝【删 呼一磐s i - - 1 1 1 n 旦 f 沪一面姗虿 k ：錾- - i hc o s 旦 2 面s 虿 舭争压2 z ts 证旦2gv 式中：硒，广- i i i 型裂缝应力强度因子；其他参量同i 型裂缝问题。 i 复合型裂缝【删 7 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 1j 1j始一2始一2 s l 0 幢 c s 鞠f 青加铺层反射裂嗣日广展行为模撤a - 曩乏劳寿命预估 反射裂缝在车辆荷载作用或耦合荷载作用下主要表现为复合型裂缝，对于均质各向 同性线弹性材料，应力场和位移场分量可由i 型和i i 型裂缝相应分量迭加，表达式为： c o s 弘咖争詈) = 击愕( 哮n i 3 0 ) 一s i n o ( 2 + e o s o c o s3 0 1 2 2 2 秒口3 p s l n c o s c o s 一 222 c 旦旦c o s 竺 c 旦f 1 一s i 旦i3_00s s i l lo sns l n 1c 一一c o s c il s i 2222l22j p 4 ， 帖爿嚣s i n p ( ( 彬z + 1 + m 2 e o 血s z 剀p ) l y 孙k 7 哪 将k 用四部分表达式为： 式中：仃o 远场应力5 k ，= 蛳q l 2 4 2 4 5 7 = 烛l 历 b = l 圳i m k l 历 k = o 0 4 - d r r ( 2 6 ) ( 2 7 ) 卜形状系数( 与裂缝形状、加载方式、构件几何形状和尺寸有关) ； 卜宽度修正系数( 表示构件宽度对k 影响) 。 由式( 2 7 ) 可知，影响应力强度因子k 的因素包括外力大小、加载方式、裂缝长度和 形状、构件几何形状和尺寸。 积分m ，积分是表征材料弹塑性断裂行为的参量。计算简图如图2 3 所示，围绕裂缝尖端 8 沥青加铺层反囊眨翻 扩展行为模拟刀d 良劳寿命霞信 作一回路，并沿此回路作式( 2 8 ) 积分。 叫旧于纠 式中：肛一板的应变能密度； r 作用在积分回路弧元上的外力矢量； u 回路上的位移矢量。 作用在r 上的力分量为： z = 仃扩7 0 g ，歹= 1 ，2 ) 其中n t 是弧元法线的方向余弦，o r 口是应力张量。 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 经推导证明，在线弹性状态时，积分为应变能释放率g ，表达式为： 平面应变条件： ，：半k ；：g ，( 2 - l o ) 平面应力条件： j = k ；= g i ( 2 - 1 1 ) ( 4 ) 复合型裂缝脆断准则 单一类型的裂缝有相应的应力强度因子局、硒和k m 及临界应力强度因子，即断裂 韧度k l c 、k l l c 和k i i i c 。而对于复合型裂缝则需要确定裂缝扩展的临界条件和扩展方向， 即断裂准则和扩展角。在线弹性断裂力学分析中分析复合型裂缝扩展的断裂理论中最有 效的有以下3 种：( 1 ) 最大周向拉应力理论【4 5 1 ；( 2 ) 最小应变能密度因子理论 4 6 1 ；( 3 ) 最大能量释放率理论【4 7 1 。 其中第1 种理论较为简单且容易接受，主要基于以下2 个假设条件：( 1 ) 裂缝沿周 向拉应力最大值方向扩展；( 2 ) 裂缝在应力强度因子达到临界值k z c 时开始扩展【4 0 1 。裂 缝扩展角由皇：o 决定，确定岛的方程为： 口一 k ，s i n o o + k 盯( 3 e o s o o 一1 ) = 0 ( 2 1 2 ) 由此可得到i i i 复合型裂缝扩展方向为： 9 广西大掌硕士掌位说哆巴 沥青加铺层反射裂缝扩晨行为模拟及疲劳寿命碉r 估 一：( 一 3 ， 式中：皖为裂缝扩展角，是裂缝扩展方向与裂缝面的夹角；o o = o 表示裂缝沿裂缝面方 向延伸扩展，当杨 0 ，而当k u 0 时，吼 享1 时 垒 童饥 匿o 型o i 承 每o 逻 o 鸳 圬 嚣m 、 1 ：2 薹均 孟8 瓷 旌 拳l o 卜- 生i _ 1 一n _ _ 卜一1 3 _ - - - - - 1 5 m - - g - - - 盯- o馕毋0 0 6 口田也瑶仉1 0 口1 8o 丑 oi23 56 70， 裂缝长度l , - 承孚方寓 鼢h ，c - 图4 1 2 应力强度因子f 随裂缝长度变化图图4 1 3 反射裂缝扩展路径 f i g 4 - 12s t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk 。v e r s u sc r a c kl e n g t hf i g 4 - 13c r a c kp r o p a g a t i o np a t h 从表4 3 可以看出，第l 步裂缝扩展角和裂缝扩展长度随着沥青加铺层厚度的增加 减小，当厚度由9 c m 增加到1 7 c m 时，第1 步裂缝扩展角和裂缝扩展长度分别减小6 1 6 和5 1 。裂缝扩展最终长度随厚度增加逐步增大，由9 c m 厚度时的1 4 6 4 c m 增加到1 7 c m 厚度时的1 8 0 6 c m ，增幅为2 3 4 。表明厚度增加，裂缝扩展至面层顶部路径越长。同 时从图4 1 2 得知，在相同裂缝扩展长度下k 随着沥青加铺层厚度增加而逐渐减小。 由图4 1 3 得知，在相同反射裂缝垂直扩展长度下，裂缝水平方向的偏离距离随厚 度增大而缩短，裂缝扩展路径偏向荷载作用一侧向上发展。当加铺层厚度为9 c m 时，裂 缝扩展到顶面时水平方向偏离距离为9 5 1 c m ；当加铺层厚度为1 7 c m 时，其水平偏离距 离为5 4 0 c m 。表明反射裂缝扩展路径随加铺层厚度增加与竖直方向夹角越小。 ( 2 ) 沥青加铺层弹性模量变化条件下反射裂缝扩展路径模拟 取沥青加铺层弹性模量分别为8 0 0 m p a 、1 0 0 0 m p a 、1 2 0 0 m p a 、1 4 0 0 m p a 和1 6 0 0 m p a ， 应力强度因子f 随裂缝长度变化图如4 1 4 所示；裂缝扩展路径见图4 一1 5 ；裂缝第l 步 扩展角、扩展长度和裂缝最终扩展长度见表4 4 。 从表4 4 可以看出，第1 步裂缝扩展角和裂缝扩展长度随着沥青加铺层模量增大而 增大，当模量由8 0 0 m p a 增加到1 6 0 0 m p a 时，第l 步裂缝扩展角和扩展长度增幅分别为 6 2 沥青加铺层反射裂缝扩晨行为模拟习j