基于动态模量的沥青路面开裂分析

在有限元方法中利用动态模量主曲线和时间-温度位移因子来考虑荷载作用频率和温度对沥青混合料力学性质的影响,采用移动荷载模式,利用断裂力学的方法分析了典型柔性基层沥青路面的开裂机理.研究表明:轮载经过裂缝1次,根据不同工况,可能在裂尖引起1个,2个或3个张开型应力强度因子(KⅠ)峰值.而剪切型应力强度因子(KⅡ)总有2个峰值,且大小相等,方向相反.分析了温度、行车速度及裂缝长度对裂尖应力强度因子及其作用频率的影响.当裂缝较短且温度较低时,裂缝扩展主要由KⅠ引起.随着裂缝长度的增加和温度的升高,KⅡ逐渐成为裂缝扩展的主要因素.     

交通荷载作用下沥青路面裂缝尖端的应力强度因子分析

考虑沥青混合料粘弹性断裂力学行为,对于沥青路面的开裂或反射性裂缝的扩展行为研究具有重要意义.基于粘弹性断裂理论,采用非线性有限元软件ABAQUS,分析交通动荷载作用下不同车速、不同基层模量对含有裂缝路面结构体系的位移场和应力场的影响.计算结果表明:裂缝尖端应力强度因子变化曲线随着车速的增加发生移动,且峰值几乎不变;随着基层模量的增加,应力强度因子增大.在偏荷载作用下裂缝尖端应力强度因子由KⅠ、KⅡ组成,当基层模量较小时裂缝尖端应力强度因子主要表现为KⅡ,随着弹性模量的增加KⅠ增大,KⅡ几乎保持不变.     

基于权函数法的沥青路面基-面层裂缝的扩展行为

为了研究半刚性基层沥青混凝土路面在行车荷载作用下出现的基层反射裂缝及其扩展规律,基于黏弹性断裂力学理论和权函数法,对反射裂缝的应力强度因子进行了分析,推导了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂判据理论.采用数值模拟方法分析了结构层厚度及荷载位置对基层反射裂缝的影响,并通过单边切口小梁试验研究了面层裂缝扩展模式.研究结果表明:Ⅰ型(K_Ⅰ)和Ⅱ型(K_Ⅱ)应力强度因子受路面结构层厚度的影响较大,在行车荷载作用下Ⅰ型裂纹扩展模式起主导作用,增加基层厚度对防止反射裂纹的产生有一定的效果;在考虑水平荷载作用时,Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子均随荷载位置的变化而变化,随着荷载与裂纹距离的不断增加,K_Ⅰ逐渐减小,K_Ⅱ逐渐增加,反射裂缝逐渐偏向Ⅱ型裂纹扩展模式;在不考虑水平作用时,基层反射裂纹以Ⅰ-Ⅱ复合型形式出现,并在应力集中下向面层扩展,扩展模式表现为Ⅰ-Ⅱ复合型.     

加宽工程路面开裂影响因素的数值分析

基于线弹性断裂力学,使用大型有限元软件ABAQUS对加宽工程路面在2种荷载作用模式下开裂的影响因素进行了分析.对沥青面层厚度和模量的分析结果表明,偏荷载对面层裂缝扩展的影响比正荷载大,增加面层厚度和减小面层模量能降低面层反射裂缝应力强度因子.对老路基层和新路基层模量的分析结果表明新老路基层模量相同时,应力强度因子K2数值最小,几乎为零,并随裂缝扩展长度变化不大,面层反射裂缝扩展的可能性最小,因此,选择合适的新路面结构使其模量与老路基层模量相同是非常重要的.此外,随差异沉降增加,应力强度因子K2略有增大,并且差异沉降越大,K2增大得越明显.这表明除合理选择路面结构外,进行地基处理降低差异沉降也非常重要.     

交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的Williams单元

为了研究交叉裂纹各裂尖应力强度因子之间的相互影响,建立了交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的Williams单元,以十字交叉裂纹为例,分别对正交十字裂纹或斜十字裂纹各裂尖应力强度因子相关参数进行研究,分析了薄板尺寸、裂纹夹角与奇异区尺寸等相关参数对十字交叉裂纹各裂尖应力强度因子的影响,其中K_Ⅰ、K_(Ⅱ)为裂尖Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。算例分析表明,当板宽与裂纹长度满足W/a≥13时,能够忽略板的尺寸对正交十字裂纹裂尖应力强度因子的影响,可视为无限大板;对于斜十字裂纹情况,当水平裂纹长度不变时,随着斜裂纹长度参数d的增大,K_(Ⅰ,A)、K_(Ⅱ,C)和K_(Ⅰ,D)逐渐递减,而K_(Ⅱ,A)、K_(Ⅰ,B)、K_(Ⅱ,B)和K_(Ⅰ,C)逐渐递增,对于K_(Ⅱ,D)则出现先减后增的趋势;当斜裂纹长度参数d=0时,随着裂纹夹角γ的变化,K_(Ⅰ,A)、K_(Ⅰ,B)大小相等,符号相同,K_(II,A)、K_(Ⅱ,B)则大小相等,符号相反,且各裂尖应力强度因子对裂尖奇异区尺寸不敏感。证明了Williams单元能够同时快速求解交叉裂纹各裂尖应力强度因子,且具有较高的计算精度。     

混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂试验研究

通过混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂试验设计及成果分析,基于双K断裂准则,分别计算了混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂试件失稳断裂破坏时考虑断裂过程区影响的临界有效裂缝长度ac及其对应的应力强度因子KⅠ和KⅡ,建立了考虑断裂过程区影响的混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型拉剪断裂判据,并用二次抛物线拟合了其临界曲线.与不考虑断裂过程区影响的判据临界曲线相比,考虑断裂过程区的影响,可提高裂缝稳定性计算的安全度,降低材料抗裂性能的要求.     

高等级沥青路面基层底裂缝扩展规律

在断裂力学理论基础上,应用有限元软件ABAQUS,采用20结点等参元有限元模型,对路面基层裂缝进行数值计算.并采用P-M准则和Paris公式预测了基层裂缝扩展寿命,分析探讨了应力强度因子K1和K2在基层裂缝扩展过程中的变化规律及路面结构参数对基层疲劳寿命的影响.计算结果真实反映路面结构的现象和规律,可为高等级公路抗裂设计提供依据.     

基层对层间连续路面应力强度因子影响的研究

应用权函数理论,推导出了层间完全连续路面裂缝的权函数和应力强度因子计算方法,并通过所编制的程序分析了层间连续沥青路面应力强度因子与基层参数的关系,分析表明：增加基层模量可以降低沥青层应力强度因子,但会增加基层应力强度因子;增加基层厚度可以降低沥青层和基层应力强度因子,但基层厚度大时对沥青层应力强度因子的影响较小,裂缝长度对应力强度因子影响较明显,增加胎压也会显著增加应力强度因子。     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合，在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下，建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型，利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展，应用数值方法对所建立的数学模型求解，得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明，裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时，法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展；当尖端交叠面积较小时，两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展；当尖端交叠面积较大时，两裂缝向靠拢对方的方向扩展，最终将贯通在一起。     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合 ,在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下 ,建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型 ,利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展 ,应用数值方法对所建立的数学模型求解 ,得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明 ,裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时 ,法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展 ;当尖端交叠面积较小时 ,两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展 ;当尖端交叠面积较大时 ,两裂缝向靠拢对方的方向扩展 ,最终将贯通在一起     

旧水泥沥青加铺层路面结构温度场模拟及热力分析

为研究旧水泥路面加铺沥青层结构的温度变化对反射裂缝扩展的影响,基于热传导理论和断裂力学理论,运用ABAQUS软件建立非线性瞬态温度场模型,分析连续变温条件下的温度梯度及沥青加铺层反射裂缝扩展规律。研究结果表明:在全天变化中,沥青加铺层正负温度梯度交替出现,且变化幅度大,易诱发温度裂缝;连续变温条件下,剪切型应力强度因子随温度的变化平缓,温度变化非其形成的主因;但张开型应力强度因子随温度的变化显著;在沥青层降温收缩阶段,尤其在17:00~22:00时段,当降温幅度越大,温度越低,则张开型应力强度因子越大,越易引起沥青层开裂;裂缝长度越长,应力强度因子SIFs越大,尤其是张开型应力强度因子峰值,裂缝长度越长越易加速张开型裂缝扩展。     

西藏沥青路面裂缝温度疲劳扩展寿命分析

为了研究温度收缩对沥青路面开裂的影响规律,在考虑沥青混凝土弹性模量及温缩系数随温度改变的变化规律的基础上,采用断裂力学有限元模型对温度型表面裂缝及反射裂缝的扩展进行动态分析,并预估2种温度裂缝疲劳断裂寿命.结果表明:不同变温条件下,裂缝扩展的应力强度因子K呈现出不同的增长趋势,温降越大,裂缝扩展越快;基准温度越低,裂缝扩展越快.其中表面裂缝温度疲劳扩展寿命要远远小于反射裂缝的温度疲劳扩展寿命,路面结构参数对反射裂缝温度疲劳扩展的影响则要明显高于对表面裂缝温度疲劳扩展的影响.     

BOTDA在沥青混凝土铺装层裂缝监测中的应用

为了研究分布式光纤传感技术BOTDA在沥青混凝土铺装层裂缝监测中的应用可行性,进行了相关的室内以及现场试验.对埋设于环氧沥青试件中的光纤在车辆荷载和极限温度下的工作性能进行了研究;采用BOTDA对铺装层裂缝监测进行了室内模拟;在此基础上,将BOTDA应用到现场沥青路面的铺装层中,进行路面的温度、残余变形及裂缝监测.研究结果表明,埋设在铺装层内的光纤能够满足实际沥青铺装监测中的抗压性能要求和温度变化要求,紧套光纤比裸光纤更能适用于实际铺面的裂缝监测,并且将BOTDA应用到沥青铺装层裂缝监测中具有很高的精度和稳定性.     

广义Paris公式预测沥青路面的疲劳寿命

重复作用的交通荷载可以在路面沥青混合料细微缺陷或裂缝的尖端造成应力集中并以复杂的形式自上而下扩展,最终导致路面的疲劳开裂破坏．本文应用断裂力学的原理探讨沥青路面疲劳寿命的预测方法．计算与分析表明：广义Paris公式可以考虑沥青路面结构内材料复杂的裂缝扩展;沥青面层的疲劳寿命随着面层厚度的增加以近似线性的幂函数的形式增加;另一方面,沥青面层的疲劳寿命随着面层材料模量的降低以负指数的幂函数的形式增加．     

沥青混合料裂纹扩展阶段疲劳寿命预测

由于沥青混合料的疲劳裂纹扩展一般难以用传统的Paris公式描述,本文基于能耗的观点,研究沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳演化规律。试验采用半圆弯曲试验方法,在MTS试验系统上进行了三种级配的沥青混合料的断裂韧度试验和疲劳试验,定义了半圆弯曲试验方法中沥青混合料裂纹起裂点和疲劳破坏点。研究结果表明具有断级配的应力吸收层沥青混合料具有更好的抗裂性能和抗疲劳性能;混合料累积破坏能符合Miner线性假定;沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性。通过对Van Dijk能耗公式参数拟合建立的以断裂韧度为参数的预测模型可以更方便的预测沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命。     

沥青混合料黏弹性裂纹扩展

采用Schapery提出的局部衰坏区模型,推导了沥青混合料宏观裂缝稳定扩展阶段开裂速率的简单力学表达式.首先利用裂纹扩展3个基本方程控制裂缝在沥青混合料中的扩展行为,再采用修正Burgers力学模型来准确模拟沥青混合料黏弹性能,通过对黏弹性张开位移和断裂能判据的合理简化,推导出了沥青混合料宏观裂纹稳定扩展的瞬时开裂速率与应力强度因子的关系.然后利用推导出的裂纹扩展速率公式预测了沥青砂浆板拉伸开裂速率,并与试验结果对比.结果显示:理论预测的沥青砂浆开裂速率与试验实测值在裂缝稳定扩展阶段吻合较好;沥青混合料的断裂行为具有时间相关性,其开裂速率随裂缝长度的增加或者应力水平的提高而增大.     

Cape路面荷载型反射裂缝的细观数值分析

用细观数值方法分析Cape路面抗反射裂缝性能的主要影响因素;利用有限元方法进行数值分析,材料参数根据试验数据利用最优化方法拟合得出.数值分析表明,Cape路面的沥青碎石采用较低的沥青含量时,其抗反射裂缝性能较好,而采用较低的空隙率时则有不利影响,但这种不利的影响程度并不大;基层裂缝附近的Cape路面与旧路面可脱开时,反射裂缝不易萌发与扩展,但脱开长度不宜过大;摊铺厚度较大时其抗反射裂缝性能较高,但综合考虑摊铺厚度不宜超过5~6 cm;较好的基层处理质量能减缓反射裂缝的扩展;采用半开级配的沥青碎石能够消散应力,减缓反射裂缝的萌发与扩展.     

沥青加铺层裂纹尖端应力强度因子分析

裂纹尖端处的应力强度因子是研究裂纹扩展规律的基础，它以数值形式表征了不同裂纹尖端趋向开裂的严重程度．采用有限元方法对车辆荷载和温度作用下沥青加铺层的裂纹应力强度因子进行了分析，研究了沥青加铺层厚度、模量、初始裂纹长度、降温幅度及轴载等参数变化对加铺层裂纹应力强度因子的影响程度，为沥青加铺层防裂设计方法提供必要的理论依据．     

支柱瓷绝缘子表面裂纹应力强度因子的有限元分析

通过ANSYS实体建模方法创建了含半椭圆表面裂纹的支柱瓷绝缘子有限元模型,裂纹前缘采用三维20节点等参退化奇异单元模拟尖端的应力应变奇异性,利用1/4节点法计算了弯曲载荷作用下瓷绝缘子裂纹前沿的应力场强度因子,得出KI随裂纹尺寸、位置及载荷水平改变时的变化规律.计算结果表明:相同条件下,支柱下法兰口与底部第一伞裙之间的表面裂纹最深点具有最大的应力强度因子,且KI值随裂纹形状比的增大而减小,随裂纹深度及载荷的增大而增大.     

基于离散元的蓄盐沥青混合料低温劈裂试验分析

为了对比探究蓄盐沥青混合料低温劈裂下的细观特性,在室内劈裂试验的基础上,基于离散元随机生成算法,按照室内试验相应的级配比例和试验参数,分别构建了蓄盐沥青混合料和普通沥青混合料数学模型,并进行了数值模拟试验。通过改变粗集料形态、摩擦因数以及试件空隙率时,在细观层面对其劈裂强度、裂纹类型及数量等方面进行了对比分析。实验表明：普通沥青混合料的劈裂强度明显高于蓄盐沥青混合料,且裂纹数目相对较少;当粗集料形态在中值时,可以获得较大的劈裂强度值,此时,其摩擦因数对混合料的劈裂强度影响不大,而且,随着空隙率的减小,劈裂强度还会有所提高。宏观和细观试验研究认为：添加蓄盐材料后对混合料的低温抗裂性能会有一定劣化影响;沥青混合料的空隙率与劈裂强度为负相关,而集料的摩擦因数对劈裂强度没有显著影响。当沥青混合料中集料的形态和空隙率适当时,可以获得较好的低温性能。研究成果对于融雪路面的推广和应用具有实际意义。