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原文传递沥青路面表面开裂的有限元分析

论文题名：	沥青路面表面开裂的有限元分析
关键词：	沥青路面;表面裂缝;断裂力学;有限元;应力强度因子;疲劳寿命;高等级公路
摘要：	当前，我国的公路建设正处于一个快速发展的阶段，就已开通的高等级公路的使用状况来看，普遍存在十分严重的早期破坏问题，而疲劳开裂是沥青路面主要的早期破坏形式之一。由于交通荷载和低温应力的反复作用，沥青路面中的微裂缝不断扩展、增密并贯穿连通形成宏观裂缝，导致路面结构破坏，缩短其使用寿命。传统的沥青路面结构设计所采用的弹性层状体系模型未能反映沥青路面结构在整个寿命周期内，大部分时间是带裂缝工作的现状。断裂力学的产生和发展是二十世纪力学领域中取得的重要成就之一，其研究成果已在许多工程领域得到推广应用，将断裂力学理论与有限元方法结合是分析路面开裂问题的有效途径。对于在行车荷载反复作用下路面裂缝的扩展，如引入断裂力学相关理论，考虑裂缝尖端应力奇异性，将会更接近于路面材料破坏的真实情况。鉴于此，本文基于疲劳断裂力学理论建立有限元模型，分析了表面裂缝尖端应力强度因子与路面结构参数的关系，并采用Paris公式分析了表面裂缝的疲劳扩展规律与疲劳寿命，得出以下结论：（1）在路面结构参数不变的条件下，面层应力强度因子随着裂缝深度的增加而缓慢增加；在相同的裂缝深度的情况下，应力强度因子随着面层厚度的增加而逐渐减小。随着面层厚度的增加，路面的疲劳寿命及抗裂性能得到加强，但当增加到一定的程度时，其对应力强度因子和疲劳寿命的影响减小。（2）面层模量对应力强度因子的大小及疲劳寿命有很大影响，确定面层模量以及面层模量与基层模量的比值非常重要。在较低模量（<1400MPa）的情况下，应力强度因子与裂缝深度关系曲线呈波峰状，在较高模量（>1400MPa）的情况下，应力强度因子随着裂缝深度的增加而增大，在接近面层底部会有一个比较急速的增大；在相同的裂缝深度的情况下，应力强度因子随着面层模量的增大而增大。（3）基层模量不宜小于面层模量过多，其变化必须在一定的范围。基层模量越大，面层应力强度因子越小；在相同的裂缝深度的情况下，面层应力强度因子随着基层模量的增大而减小。在较高模量（>1500MPa）的情况下，应力强度因子与裂缝深度关系曲线呈波峰状，在较低模量（<1500MPa）的情况下，应力强度因子随着裂缝深度的增加而增大，在接近面层底部会有一个比较急速的增大。当基层模量>1500MPa的时候，基层模量对路面的疲劳寿命影响很小。（4）底基层厚度对面层应力强度因子的大小和疲劳寿命的影响不是很大，随着底基层厚度的增加，面层应力强度因子逐渐减小，疲劳寿命也会随之增加，但效果不明显。因此，在路面设计中，将底基层作为设计层，路面结构设计以弯沉值作为设计指标甚至是唯一的指标是不够全面的，应该针对路面结构中一些局部受力的控制、耐久性的满足提出新的控制指标，以完善路面结构设计。
作者：	潘昊宇
专业：	材料学
导师：	李力
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文