有限元-无网格伽辽金耦合方法模拟沥青路面裂纹扩展

基于断裂力学理论,利用无单元伽辽金-有限元耦合方法分析了沥青路面的开裂问题,研究了水平荷载、结构参数等因素的影响。结果显示,水平荷载对沥青路面Top-Down裂纹(TDC)的扩展不利,它使得裂纹尖端的应力强度因子增大,裂纹扩展路径缩短,疲劳寿命减小;交通荷载作用下,沥青面层越薄,越容易产生开裂;Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子随着沥青面层模量、基层模量的增加而近似线性增加,裂纹的起裂角随着面层模量的增加而减小,随着基层模量的增加而增大;随着土基弹性模量的增加,Ⅰ型应力强度因子线性减小,裂纹扩展角增大。     

行车荷载下半刚性基层沥青路面结构响应及参数分析

文中将车辆荷载分为正向荷载和偏向荷载2种,并利用ABAQUS有限元软件建立基层含裂缝的沥青路面结构,重点对行车荷载下基层反射裂缝受力特性及其对参数敏感性进行分析,得到以下结论:正荷载和偏荷载作用下在路基面层裂缝位置处拉剪应力均发生突变,正荷载作用下基层反射裂缝因受压而不会扩展,而偏荷载是影响基层裂缝扩展的主要因素;正荷载下裂缝尖端的正应力及偏荷载下的裂缝尖端的正剪应力随着面层厚度和面层模量的增加而增大,随着基层模量的增加其应力减小;正偏荷载下的裂缝尖端张开型应力强度因子随面层厚度和面层模量的增加而增大,而随基层模量的增加而减小;偏荷载下的裂缝尖端剪切型应力强度因子随面层厚度和基层模量的增加而减小,随面层模量的增加而缓慢增加。     

基于交变载荷下沥青路面使用寿命研究

运用断裂力学的相关理论,结合有限元方法,建立含表面裂缝的沥青路面结构三维有限元模型,计算了表面裂缝尖端的应力强度因子,通过分析裂缝的疲劳扩展来预测沥青路面的使用寿命。研究结果表明:表面裂纹形成初期,水平荷载对路面表面裂缝扩展影响较大。裂纹扩展阶段,张开型破坏占裂纹扩展的主导作用;增加面层厚度能有效抑制沥青路层裂缝的扩展;面层厚度增加,基层厚度增加,基层模量增大,面层模量降低,沥青路面疲劳寿命增速越大,疲劳寿命越长,但基层模量增加过大,易导致路面干缩开裂。     

交通荷载作用下玻纤格栅对反射裂缝扩展的影响

为研究交通荷载作用下玻纤格栅对沥青路面反射裂缝扩展的影响,采用ABAQUS有限元软件建立含有反射裂缝的半刚性基层沥青路面结构二维模型,对裂缝尖端的应力强度因子进行计算分析,比较铺设玻纤格栅前后路面面层内裂缝尖端应力强度因子,并分析反射裂缝扩展速率随裂缝长度和面层模量、厚度等的变化。结果表明,促进反射裂缝发展的最不利荷载方式是偏载;设置玻纤格栅后,裂缝尖端剪切型应力强度因子降低41.7%,玻纤格栅可起到延缓裂缝扩展的作用;反射裂缝的扩展速率随着裂缝长度和面层模量的增大而增大,随着面层厚度的增大而减小。     

贫混凝土基层沥青路面荷载应力有限元分析

为了研究贫混凝土沥青路面受力在不同路面结构和材料参数下的状况,通过三维有限元数值分析方法,分析了面层厚度、面层模量、应力吸收层厚度、应力吸收层模量和裂缝宽度对贫混凝土基层沥青面层层底应力的影响。路面结构计算与分析表明：在贫混凝土基层-沥青面层复合式路面结构中,适当增加沥青面层厚度对防治反射裂缝十分有效,而通过提高沥青面层强度的方法来减少反射裂缝效果不明显;一定厚度和模量的应力吸收层能有效降低沥青面层底面应力水平;贫混凝土基层裂缝宽度对沥青面层底面受力具有较大的影响。     

贫混凝土基层沥青路面温度应力数值分析

为了探讨贫混凝土基层沥青路面在不同路面结构和材料参数下的温度应力状况,利用三维有限元数值方法,分析了沥青面层厚度和模量、贫混凝土基层厚度和模量以及基层缩缝宽度对沥青路面温度应力的影响。结果表明:沥青面层厚度对路面温度应力有显著影响,但沥青面层模量对路面温度应力影响不明显;贫混凝土基层厚度和模量对温度应力影响不显著;基层缩缝宽度对路面温度应力有显著影响。适当增加沥青面层厚度对延缓反射裂缝十分有效,适当增加沥青面层模量对延缓反射裂缝只起到较小的作用;改变贫混凝土基层的厚度、模量对延缓反射裂缝作用不明显;适当宽度的基层缩缝对延缓反射裂缝效果显著。     

半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝影响因素分析

借助ABAQUS有限元计算平台,应用断裂力学理论,综合分析半刚性基层沥青路面反射裂缝影响因素及影响程度,并对分析结果进行极差分析。结果表明,沥青层模量对半刚性基层沥青路面反射裂缝尖端应力强度因子影响程度最大,增大沥青层模量将显著增加裂缝尖端应力强度因子;基层-土基层间粘结状况对反射裂缝尖端应力强度因子的影响仅次于沥青层模量;半刚性基层及土基模量对反射裂缝尖端应力强度因子影响最小。因此,在采用高模量沥青层增加沥青路面结构抗永久变形能力同时,应注意其对半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的不良影响。     

级配碎石基层沥青混凝土路面非线性力学响应分析

为了明确级配碎石柔性基层沥青混凝土路面结构层位功能,就沥青混凝土面层厚度、级配碎石基层厚度和模量3个路面结构参数对级配碎石柔性基层沥青混凝土路面进行非线性力学响应分析,结果表明:面层厚度增大,基层最大剪应力降低,且面层厚度为9 cm时面层剪应力最不利,12 cm时面层层底拉应力最不利;基层厚度对基层剪应力影响不显著,且当基层厚度为30 cm时,面层剪应力、层底拉应力均出现最小值;当增大基层模量时,面层最大剪应力、层底拉应力和基层最大剪应力均有不同程度降低.     

半刚性基层沥青路面温缩型反射裂缝的扩展机理分析

通过对半刚性基层在温度应力作用下裂缝扩展机理的分析,以线弹性断裂力学理论和有限单元方法为基础、利用ANSYS计算软件,研究了产生反射裂缝的力学机理,分析了各参数对含裂纹路面结构的应力场以及裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明,得出裂纹尖端的应力集中是导致裂缝向上扩展的根本原因,降低基层材料的弹性模量能抑制或延缓基层裂缝的扩展;当裂缝已经反射到面层后,降低面层材料的弹性模量也可以起到抑制或延缓基层裂缝的扩展;同时,外界环境和路面结构对裂缝的扩展亦有较大的影响,应根据当地的气候条件合理地设计沥青面层和基层的厚度,以保证路面结构具有预期设计的抗裂性。为防止或减少反射性裂缝有重要的参考价值。     

沥青路面结构三向应力响应对比分析

以云罗高速公路长寿命试验路为依托,针对半刚性基层、刚性基层及组合式基层沥青路面的三向应力分布特性,以弹性层状体系理论为依据,以力学软件BISAR3.0为计算工具,对八种结构的三向应力进行了对比分析,研究面层厚度及各结构层模量变化对三向应力响应的影响。结果表明:提高面层模量和厚度、适当增加基层模量和土基模量可以优化沥青路面结构受力,但基层模量不宜增加太高。     

移动荷载作用下长大纵坡沥青路面力学响应分析

为了研究结构层参数对长大纵坡沥青路面结构力学性能和路用性能的影响作用,采用有限元软件建立了移动荷载模型及长大纵坡沥青路面结构三维有限冗模型,分析了移动荷载作用下,面层、基层竖向压应力、最大剪应力、层底拉应力随各结构层厚度、模量及结构层组合的变化规律。结果表明：面层模量的增加在提高路面抗车辙性能的同时会降低其抗疲劳开裂性能;增大基层模量可以提高面层抗疲劳性能,但同时增加了基层层底拉应力,降低了基层抗疲劳性能;对于刚度较大的半刚性基层,面层厚度取低值可以增强长大纵坡沥青路面的抗车辙性能,基层厚度对于路面结构抗车辙性能影响较小;面层与基层模量比值在0．8～1．1范围内变化时,对长大纵坡沥青路面结构受力较为有利。     

基于有限元分析法在半刚性基层路面反射裂缝的研究

在断裂力学的理论基础上,运用有限元分析法直接计算断裂力学参数,确定温度梯度和交通荷载等对半刚性基层路面反射裂缝的影响。研究结果表明:基层贯通裂缝容易造成裂缝尖端出现应力集中,且偏荷载作用下更易造成反射裂缝产生和扩展;半干性基层路面反射裂缝在交通荷载作用下是加速扩展的;基层反射裂缝扩展过程中,单独交通荷载作用下,裂缝尖端应力场受面层的厚度、模量的影响,单独温度荷载作用下,裂缝尖端应力场面层模量、基层温缩系数的影响;当交通荷载和温度荷载共同作用时,裂缝尖端应力场有两种荷载共同决定,且低温收缩应力能有效降低由于交通偏载造成的剪切型应力强度因子。     

半刚性基层沥青路面温度应力断裂力学分析

路面裂缝尖端应力强度因子是判断裂缝开裂扩展的重要指标,应用商业通用有限元软件ABAQUS,建立了8节点等参单元的有限元模型,采用奇异单元及断裂力学理论,根据实际情况,选取了不同的层厚、模量和裂缝深度,对半刚性基层沥青路面温度应力裂缝问题进行了数值分析。从理论上分析控制基层开裂的重要意义,建议降低基层水泥含量,同时,面层厚度的增加,对抵抗结构层的温度开裂并不明显,结果能反映路面破坏的现象和规律,为分析沥青路面温度开裂提供依据。     

低剂量水泥稳定碎石基层沥青路面结构力学分析

针对低剂量水泥稳定碎石基层沥青路面,选择我国当前高速公路和干线公路半刚性基层沥青路面典型结构型式,采用弹性层状体系力学分析软件Bisar3．0分析计算路面结构层底拉应力,并考虑基层厚度和模量、不同面层厚度对其的影响。计算结果表明：增加底基层厚度对于层底拉应力影响较小,底基层厚度增加10cm,基层层底拉应力仅降低0．023MPa;底基层模量对基层层底拉应力有显著影响,其模量越高,基层层底拉应力就越小;面层厚度对基层层底拉应力影响较大,基层层底拉应力随面层厚度的增加逐渐减小,当面层厚度在18～20cm时,水泥稳定层层底拉应力为0．086～0．082MPa。     

沥青路面路基结构组合优化力学数值探析

采用ABAQUS建立了沥青路面结构的三维有限元模型,对典型沥青路面的动力学特征进行了模拟计算,通过分析路面结构动力响应量和结构参数的关系,获得了两者的正负相关性,并提出了改善路面结构受力状态的有效途径。研究结果表明:面层模量一定时,随基层模量的增加,路表弯沉下降,半刚性路面和组合式路面基层层底应力增加;当基层模量一定时,随面层模量的增加,半刚性路面路表弯沉的变化较小,倒桩式路面和组合式路面路表弯沉变化明显,且组合式路面的基层层底应力明显提高;随基层模量增大,半刚性路面收底基层层底应力变化显著,受面层模量影响较小;当面层模量达到2 000 MPa后,基层模量对倒桩式路面底基层层底应力影响可忽略;面层模量较高时,基层模量和面层模量的增加,组合式路面的底基层底应力减小;随基层厚度的增加,路面各力学响应指标逐渐减小,基层厚度大于40 cm时,通过增加基层厚度来改善路面疲劳开裂效果减弱;基层厚度小于20 cm时,底基层的弯拉应力较大,路面基层为主承重层,承担较大的荷载作用,因而可通过提高基层厚度来抑制弯拉破坏,改善基层受力。     

高等级沥青路面表面裂缝扩展规律及寿命研究

为了减缓沥青路面表面裂缝,基于断裂力学理论并应用有限元软件ABAQUS,建立了20节点等参元有限元模型,对路面表面裂缝进行数值计算,且采用Paris公式预测了表面裂缝扩展寿命,分析探讨了应力强度因子K2在表面裂缝扩展过程中的变化规律及路面结构参数对表面裂缝疲劳寿命的影响。计算表明:(1)表面裂缝的扩展只考虑偏荷载作用,在裂缝的扩展过程中,随着表面裂缝向下不断的扩展,其K2增大到一个峰值后,再缓慢下降。(2)在路面结构参数正常取值的范围内,对表面裂缝扩展寿命影响较大的是面层厚度、面层模量、基层模量,而土基模量、底基层厚度、底基层模量、基层厚度对表面裂缝扩展寿命的影响很小。     

温度循环作用下的沥青路面温度应力有限元数值模拟

利用ANSYS有限元软件中热-结构耦合单元,对沥青路面温度应力进行数值模拟。结果表明:沥青面层厚度对面层层底最大温度应力的影响要大于其对路表温度应力的影响;沥青路面路表和面层底的最大温度应力均随着沥青混合料的温缩系数、沥青面层模量和日温差的增大而增大,但路表的最大温度应力随着这3个参数的变化更加明显;半刚性基层的厚度和模量对沥青路面路表和面层底的最大温度应力的影响均有限。     

沥青路面典型结构Top-Down裂缝尖端应力强度因子影响因素分析

借助ABAQUS有限元平台,分析水泥稳定碎石基层沥青路面与粒料基层沥青路面,TopDown裂缝尖端应力强度因子KII随路面结构参数、轴载及裂缝深度变化规律。结果表明,增加沥青层厚度与模量、基层厚度与模量、土基模量对沥青路面结构抑制Top-Down裂缝有益,而超载将对路面Top-Down裂缝产生严重不利影响;水泥稳定碎石基层沥青路面抗Top-Down裂缝能力大于粒料基层沥青路面。     

沥青路面沥青层偏应力分布研究

基于线弹性层状体系理论,采用BISAR软件计算分析沥青路面不同温度区间沥青层偏应力沿深度方向的分布规律;并通过计算大量路面结构,分析总结出沥青层偏应力分布随行车速度、基层模量、基层厚度和面层厚度改变的变化规律。研究结果表明:全温域条件下,不同温度区间和不同轴载等级的沥青层偏应力分布呈现一定的相似性,均先增大后减小,且均在距路表0.06m~0.10m范围内出现最大偏应力,中面层是最大偏应力作用的主要集中区域。沥青层最大偏应力随泊松比的增大而减小,且随着温度的增大,泊松比对偏应力的影响有降低的趋势。在固定评价基准的情况下,给出了不同温度区间行驶速度、基层模量、基层厚度、面层厚度变化时沥青层偏应力变化系数。行车速度、基层模量和面层厚度在温度区间为(35~40]℃时的改变,对偏应力分布的变化幅度影响最大,分别达到7.74%、7.08%和25.76%。基层厚度在温度区间为(25~30]℃时的改变,对偏应力分布的变化幅度影响最大,达到12.92%。根据伽玛分布曲线概率密度函数建立了沥青路面沥青层偏应力分布预估模型,拟合得到不同面层厚度不同温度区间的偏应力分布预估模型参数,从而可以求出沥青层不同温度区间任意深度处的偏应力分布。     

多轮荷载作用下的沥青道面结构响应敏感性分析

分析飞机多轮荷载作用下沥青道面表面弯沉、土基顶面竖向压应变、面层底面水平应力、基层或底基层底面水平应力对面层、基层或底基层厚度与模量、土基模量变化的敏感性。依托三维有限元平台对敏感性进行分析,选择B-777作为分析机型;以传统柔性类、沥青稳定类和半刚性道面作为分析结构。52种组合的分析结果表明:各力学响应量对土基都具有较高的敏感性,土基模量由30增至60 MPa的影响要大于60增至80 MPa;除传统柔性道面的面层底面水平应力外,底基层厚度对其他各响应量也具有较高的敏感性;层底的水平拉应力主要受上下层模量比影响,随着模量比的增加,上层底面开始出现拉应力,并逐渐增大,所以最大水平拉应力出现在传统柔性道面结构的面层底,沥青稳定基层的层底,以及半刚性基层的底基层底。