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原文传递季冻区水泥稳定碎石基层损伤特性及数值模拟分析

论文题名：	季冻区水泥稳定碎石基层损伤特性及数值模拟分析
关键词：	水泥稳定碎石基层材料;冻融损伤;疲劳寿命;数值模拟;冻融循环
摘要：	水泥稳定碎石基层材料是我国高等级公路结构中普遍使用的材料。在季节性冰冻地区，随着车辆载荷的激增和多变的自然环境，路面早期出现破坏的情况时有发生。水泥稳定碎石基层在实际服役过程中，会出现材料损伤和结构破坏，进而影响着道路结构使用寿命。其主要原因是道路结构设计中难以全面分析荷载—冻融耦合作用对水泥稳定碎石基层材料的影响，从而无法对结构损伤做出精准评价。为此应当研究冻融损伤对材料寿命的影响情况及水泥稳定碎石基层材料在荷载—冻融耦合作用下的力学性能变化规律，本文结合吉林省交通运输科技项目“季冻区水泥稳定基层设计与施工关键技术研究”，开展了大量室内试验，探究了水泥稳定碎石基层材料冻融损伤特性和疲劳损伤特性，并设计耦合损伤试验，通过对荷载—冻融耦合作用下材料的模量衰减规律研究，构建出损伤模量预估模型，从而为科学合理地评价水泥稳定碎石基层材料在季节性冻土地区的损伤特性提供理论依据和参考。　　本文以无侧限抗压强度、弯拉强度、弯拉回弹模量等作为评价指标，根据室内试验结果，探究一定次数冻融循化后水泥稳定碎石材料性能变化规律。试验结果表明：无侧限抗压强度、弯拉强度和弯拉回弹模量都会随冻融循环次数的增加而减小，其中弯拉回弹模量下降的幅度最大；在冻融循环作用下，水泥掺量较高的水泥稳定碎石基层材料的力学性能和抗冻性能最好；当水泥稳定碎石材料经历15次冻融循环后，其弯拉模量损失率趋于平稳，在水泥稳定碎石基层材料的抗冻性评价方面，建议使用15次冻融循环的弯拉模量损失率。　　基于水泥稳定碎石基层材料的疲劳试验结果，本论文得到了0次、5次、10次和15次冻融循环下基层材料的疲劳方程，探究了冻融循环对基层材料疲劳寿命的影响规律。结果表明：在同一应力水平下，随着冻融循环次数的增加，水泥稳定碎石试件的疲劳寿命下降幅度增大，剩余疲劳寿命百分率减小。以现有的疲劳性能研究为基础，本论文提出了以弯拉回弹模量为参数的基层材料荷载—冻融耦合损伤模型。在此基础上制定耦合损伤试验方案，并设计以年为单位的耦合作用单元，根据在不同耦合单元作用下的模量衰减规律，构建出水泥稳定碎石基层材料在耦合损伤下的模量预估方程，为季冻区道路设计中水泥稳定碎石基层模量设计参数的取值提供参考。　　基于ANSYS有限元分析软件，结合试验路工程，建立了道路结构三维实体模型，对水泥稳定碎石基层结构在冻融—荷载耦合作用下的力学响应规律进行分析。研究结果表明：在移动荷载作用下，各结构层层底竖向动应力与位移沿着道路结构层逐层递减；随着耦合作用单元的不断增加，面层底部的竖向应变没有明显变化，但基层的竖向应变受影响较为显著；基层层底应力会随着耦合作用单元的增加逐渐减小，应变则呈现增大趋势。
作者：	许鑫
专业：	道路与铁道工程
导师：	梁春雨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022