水泥混凝土路面板底脱空区动水压力特性研究

为研究车辆荷载作用下水泥混凝土路面板底脱空区内动水压力、水流速度的分布规律及其影响因素,推导了三维状态下脱空区中截面动水压力、水流速度解析式。应用有限元软件ANSYS和CFX建立了双向流固耦合模型,分析了车辆轴重、车速与脱空尺寸等对动水压力及水流速度的影响。结果表明:固定点的水压力及水流速度随时间成正弦函数变化,且水压力随时间的变化趋势与最大水流速度随时间变化趋势有一定的相位差。沿着脱空区出口的方向,动水压力呈减小趋势,其最大值发生在脱空区尖端;水流速度沿着脱空区出口的方向呈增大趋势,其最大值发生在板边缘;动水压力与水流速度峰值随轴重增大而增大,与轴重近似呈二次方关系;动水压力峰值随车速增大而增大,水压力随车速变化的增幅大约为每10 km/h增加1 kPa,与车速成线性关系,而水流速度峰值受车速影响较小;动水压力与水流速度峰值随脱空区开口量增大而减小,与脱空区开口量成反比关系;当脱空区开口高度扩展到一定程度时(论文模型中为4 mm),动水压力变化幅值较小,此时脱空区继续发展可能归因于水流的冲刷作用。数值模拟结果与理论推导结果基本一致。     

水泥混凝土路面板底脱空区域动水压力分布特性研究

脱空区滞留水在车辆荷载作用下形成的动水压力,是造成水泥混凝土路面破坏较为严重的主要原因之一。为分析脱空区滞留水产生动水压力的分布特性,建立含脱空区水泥混凝土路面-滞留水双向流固耦合计算模型,并对车辆行车位置、行车速度、轴载、脱空区面积等因素对动水压力的影响进行分析。结果表明,脱空区内形成的动水压力是由车辆荷载特征和脱空区几何形态等多因素综合决定的。动水压力沿着出口方向呈三次方减小关系,其最大值发生在内部尖端处。当车轮作用在路面板边缘时,动水压力值最大,此时对路面的破坏最严重。车辆行驶速度、轴载、脱空区面积是影响动水压力的3个重要因素,动水压力大小与行驶速度呈二次方增加关系,与轴载呈线性增加关系,与脱空区面积呈三次多项式增加关系。采取交通管制措施,降低车辆行驶速度和轴载,并及时采取灌浆或注浆等修补措施,可有效减缓动水压力引起的路面结构破坏。     

车辆荷载与水耦合作用下水泥混凝土路面板底脱空机理研究

为分析车辆荷载与水耦合作用下的路面板底脱空形态发展机理,建立混凝土路面-水流固耦合计算模型,对车辆行驶速度、轴载等因素对动水压力的影响进行分析,并进一步对尖端应力强度因子进行计算。结果表明:车辆驶向脱空区时,脱空区内水产生正压力,并沿着出口方向呈三次多项式减小关系;车辆驶离脱空区时,产生负压力,并沿着出口方向呈三次多项式增加关系。动水压力大小与车辆行驶速度呈二次方增加关系,与轴载呈线性增加关系。在车辆荷载与滞留水耦合作用下,当行驶速度由60km/h增加到120km/h时,应力强度因子KⅠ增加了79.2%,KⅡ增加了54.83%,KⅢ增加了1.23%,表明车辆行驶速度的提升明显加剧了混凝土路面板底脱空形态的发展,且其发展是由KⅠ、KⅡ、KⅢ综合决定的。在雨水丰富或排水不畅地区,采取交通管制措施,降低车辆行驶速度和轴载,并及时采取注浆修补措施,可有效减缓动水压力引起的路面结构破坏。     

水泥混凝土路面板角脱空受力特性分析

为研究水泥混凝土路面板角脱空区受力特性,应用ANSYS-CFX建立流固耦合模型,对水泥混凝土路面在车辆荷载-动水压力耦合作用下板角脱空区所受应力进行了分析。研究结果表明:在相同行车荷载作用下,相比于无水状态的脱空区,有动水压力作用下的板角脱空区裂纹尖端等效应力和最大主应力提高了约30%,而脱空区路面板板顶和板底的应力有着不同程度的减小,且板顶的主拉应力大于尖端的主压应力。考虑有水状态下材料的刚度折减时,脱空区裂纹尖端和路面板所受应力不同程度增大。     

水泥混凝土路面板底脱空对路面荷载应力的影响

中国水泥混凝土路面早期破坏比较严重,而脱空是造成这一现象的主要原因.当出现脱空后水泥板体产生的荷载应力会迅速变大,为了研究脱空对路面荷载应力的影响,利用光纤光栅技术在(湘)潭—邵(阳)高速公路水泥路面上进行试验,并使用有限元进行模拟分析.通过试验及分析得出:荷载与脱空尺寸对水泥混凝土路面脱空区内的动水压力影响很大,水泥混凝土路面板体产生的荷载应力与施加的荷载和脱空尺寸成线性关系,随着车辆荷载和脱空尺寸的增加,水泥板内的荷载应力线性增大.同时根据有限元模拟得到了考虑荷载和脱空尺寸条件下的潭邵高速公路水泥混凝土路面的荷载应力计算公式.     

机场水泥混凝土道面脱空区动水压力分析

唧泥脱空是最常见的脱空类型,而水是形成唧泥的首要条件。该文对机场道面形成唧泥冲刷作用的关键参数"动水压力"进行理论分析,为唧泥脱空的相关问题作进一步研究提供基础。该项研究以Elmer C.Hansen公路实测脱空区动水压力数据为基础,并全面考虑机场道面与公路路面的区别。通过对荷载大小、荷载通行速度及飞机升力影响等三方面的修正,最终得到机场脱空区内最大动水压力差可达90 kN。     

考虑动水压力影响的沥青路面损伤机理研究综述

行车荷载产生的动水压力作用是沥青路面水损害的主要原因之一。为深入剖析沥青路面动水压力的作用机理,该文分析了动水压力研究方法,总结了动水压力的影响因素,对中国国内沥青混合料水稳定性评价方法和动水压力研究现状进行了评述,并对动水压力的作用机理进行了展望。     

基于动水压力模拟试验的沥青混合料水损坏力学机理

针对目前沥青混合料受动水压力影响机理和动水压力模拟研究存在的不足,在设计以气压方式激发动水压力试验装置的基础上,对沥青混合料在60℃高温、定向动水冲刷模式下的沥青膜剥落规律进行试验研究。结果表明:沥青混合料在定向动水压力作用下,沥青胶浆粘度降低,对集料的粘结力降低,导致试件剪切破坏;沥青层底部存水导致受动水压力作用时间变长,在车轮荷载的补充压实作用下可能发生沥青向上迁移的现象。     

水泥混凝土路面板底脱空区域动水压力分布特性

为了研究脱空区滞留水产生动水压力的分布特性,建立含脱空区混凝土路面-滞留水双向流固耦合计算模型,分析了车辆行车位置、行车速度、轴载、脱空区面积等因素对动水压力的影响。研究结果表明:动水压力沿着出口方向呈三次方减小关系;车辆行驶速度、轴载、脱空区面积是影响动水压力的3个重要因素;动水压力大小与行驶速度呈二次方增加关系,与轴载呈线性增加关系,与脱空区面积呈三次多项式增加关系。     

水泥混凝土面板脱空的有限元模型分析研究

水泥混凝土路面在实际使用过程中,由于车辆荷载的重复作用,板下基础将产生塑性变形累积而导致面层脱空,地面水沿着接缝下渗而积聚在脱空的空隙内,在车轮荷载作用下变成压力水而形成唧泥,导致水泥混凝土面板局部脱空而产生附加应力,在行车荷载作用下,面层应力将会剧增,从而导致水泥混凝土面板的断裂.通过数值分析对路面板角脱空形成机理以及在行车荷载与脱空耦合导致面层板的断裂机理进行分析,同时讨论了路面厚度、路基土和基层模量变化对路面结构的应力状态的影响.     

某机场道面脱空原因与处治措施

某机场位于河床一级阶地和高漫滩上,2000年初发现道面脱空,近年来又加速了发展趋势,不仅对道面安全使用造成严重威胁,还缩短了道面寿命。经试验分析确定该机场道面是由于饱水的砂砾石基层和粉土地基在飞机反复的冲击荷载作用下,孔隙水压力、地下水位反复升降,潜蚀作用带走细粒物质而使道面脱空。近年来重型飞机的频繁起降,振动荷载作用加剧,使砂土发生液化,潜蚀作用进一步增强,脱空现象加剧。结合现场试验,采用灌浆方法进行处理,经检测效果良好。     

基于改进的灰关联模型分析特定条件下水泥路面疲劳寿命影响因素

基于一种改进的灰色关联模型，建立了移动荷载作用下的水泥路面板底脱空模型，提出了板底脱空演化作用下水泥路面疲劳寿命的计算方法，分析了水泥路面疲劳寿命影响因素的影响程度。结果表明：面层板厚度的灰色关联度为0.65，动荷载的灰色关联度为0.63，说明动荷载和面层板厚度对动荷载与板底脱空耦合作用下水泥路面疲劳寿命的影响程度较高，而脱空半径、脱空深度、行驶速度和基层动弹性模量对动荷载与板底脱空耦合作用下水泥路面疲劳寿命的影响程度较小；面层动弹性模量的灰色关联度为0.05，说明面层动弹性模量对动荷载与板底脱空耦合作用下水泥路面疲劳寿命基本无影响。     

地铁列车振动荷载作用下隧道底部土层孔隙水压力及变形特性研究

为研究地铁列车振动荷载长期作用下隧道底部土层的孔隙水压力及变形特性,以北京地铁7号线2期（东延）工程为背景,利用ADINA有限元计算平台建立典型隧道区间断面的有效应力分析模型,进行上限速度行车荷载作用下饱和场地土层-隧道体系水土耦合动力响应分析,研究典型位置处孔隙水压力时程变化规律,并预测地铁振动荷载作用下引起的沉降量。同时,对北京地铁7号线粉细砂进行土工室内试验,进一步研究隧道底部土层在地铁行车荷载作用下的孔隙水压力及竖向变形发展规律。结果表明： 1）在长期列车振动荷载作用下,隧道底部土层孔隙水压力逐渐增大,且增大值随土层深度的增加而减小; 2）土体的累积超孔隙水压力比和累积应变量随着荷载幅值的增加而增大; 3）与非均等固结条件相比,均等固结条件下的超孔隙水压力比较大,但累计应变量小; 4）列车振动引起的超孔隙水压力和应变均较小,超孔隙水压力在列车停运期间足以消散完毕。     

不同渗流形态下沥青路面结构动力响应分析

为了研究荷载-渗流耦合作用下不同渗流形态对沥青路面结构各力学场量响应的影响，进一步揭示沥青路面水损害机理，在高水压沥青混合料渗透试验的基础上，采用非线性有限元方法，模拟分析碗形分布动荷载下Forchheimer非线性渗流和达西线性渗流时饱水沥青路面内部各力学场量的变化。渗透试验结果表明：在较高水力梯度下渗流流速-水力梯度关系呈现出非线性特征，不再适用达西定律，而需应用Forchheimer非线性渗流定律描述。数值模拟分析结果表明：2种渗流形态时沥青路面结构内部各力学场量均随着车轮动荷载的作用过程表现出波动性，且孔隙水压力均随着半正弦波型荷载的变化而呈正相关关系；与达西渗流时计算结果相比，非线性渗流时上面层内正孔隙水压力的峰值高49%，沥青面层内水平方向的拉应力、压应力、拉应变的峰值分别高16%、105%、15%，且在路表产生竖向拉应力，孔隙水压力也远高于现场实测值；2种渗流形态时均在上基层底部产生竖向拉应力，在沥青路面内产生的剪应力差别很小。因此，在车轮动荷载作用下，饱水沥青路面内部形成超高孔隙水压力和高流速的非线性渗流，会产生比线性渗流更为严重的水损害，以往基于达西定律的饱水沥青路面动态响应分析低估了车轮动荷载对沥青路面水损害的影响程度。     

沥青混合料动静态渗透性能研究

设计了一种沥青混合料动静态渗透试验系统,测量了40 ～350 kPa压力作用下沥青混合料的渗透系数和透水量,并分析了沥青混合料试件的空隙率与渗透系数的关系.研究结果表明:设计的沥青混合料动静态渗透试验系统可以测量较高水压力下沥青混合料的渗透性能;随着水头差(水压力)的变大,2种混合料渗透系数不断减小,但沥青混合料的透水量随着水压力的变大接近线性增加;各级动态水压力作用下沥青混合料的透水量远小于静态水压力作用下的透水量;对于SMA-13混合料,其动态透水量只达到同级水压力时静态的50％ ～75％;对于AC-20混合料,其动态透水量是同级静态的48％ ～56％;在1 Hz、10 Hz 2种频率作用下,其渗透性能变化很小;沥青混合料的渗透性能对水压力的变化频率不敏感,对水压力的峰值敏感.     

深水高墩连续刚构桥抗震性能分析

以某深水高墩连续刚构桥为研究对象,利用附加质量法计算动水压力。根据JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》进行2水平2阶段抗震性能分析,运用SAP2000有限元程序,建立桥梁的空间有限元模型,进行反应谱分析和时程分析,比较在考虑动水压力和未考虑动水压力2种情况下的内力结果。考虑动水压力时,结构内力比未考虑动水压力时明显增大,纵向与横向地震作用下结构的地震响应规律并不完全相同。     

动水侵蚀下浆体材料损伤因子灰色关联探析

为探究灌浆材料在行车荷载与水耦合作用下抗冲刷性能的主次影响因素,文中分别取一种典型有机和无机类灌浆材料,并利用灰色关联方法,采用抗压强度为基本试验指标,以橡胶粉目数、动水压力、冲刷次数以及养生龄期作为4种弱化因子,归纳总结出水侵蚀作用下影响灌浆材料抗冲刷性的主次因子。试验结果表明:影响两种浆体材料抗冲刷性能的程度,依次均为动水压力冲刷次数橡胶粉目数养生龄期;冲刷次数和动水压力对两种材料产生的损伤相当;而养生龄期对有机类材料造成的损伤大于无机类材料。故:针对多雨地区且需要及时开放交通的路面抢修处治,宜选用无机灌浆材料;对于多雨地区且不需要及时开放交通的路面抢修处治而言,可选用有机灌浆材料。     

荷载-温度-水共同作用下脱空水泥混凝土路面板力学响应分析

为了得到脱空水泥混凝土路面板在考虑荷载、温度梯度、水共同作用下的应力随脱空发展的规律,利用ABAQUS建立了三维有限元模型分析力学响应.脱空部位选取板边中部及板角,设置不同的温度梯度、不同轴载、不同板厚、不同弹性模量以及考虑脱空部位有水和无水情况,定义了 3场共同作用的弯拉应力值与不考虑动水作用的弯拉应力值之比S,分析...     

透水沥青面层裂缝扩展的动水压力影响分析

水和行车荷载共同作用下,沥青路面结构内部将产生动水压力。为了解随荷载作用变化的动水压力对透水沥青路面结构内部初始裂缝扩展的影响,基于ABAQUS有限元方法和线弹性断裂力学原理,引入裂纹尖端奇异单元,考虑不同的初始裂缝长度,对水和行车荷载共同作用下透水沥青路面结构内部裂缝尖端附近应力场和位移场进行分析,计算相应的张拉型和剪切型应力强度因子。结果表明:水的存在改变了透水沥青路面结构内部的应力场,对荷载作用下沥青面层裂缝的张拉型和剪切型扩展有一定的影响,但由于透水沥青路面结构具有良好的排水性能,可以有效地缓解动水压力对沥青面层已有裂缝的劈裂作用。     

双层排水沥青路面孔道自洁性能模拟

雨天车辆轮胎荷载作用下双层排水沥青路面内部会出现动水压力,进而产生"虹吸"作用,带出堵塞孔道内部的尘土,这一效应被称为双层排水沥青路面的自洁。该文借助CT扫描技术获取断面图层,在Simpleware软件中采用三维重构技术构建了双层排水沥青路面几何模型,在有限元软件Flow-3D中建立基于流固耦合方程(FSI)和沉积物冲刷方程(Sediment Scour)的耦合模型,并初始化水膜厚度、轮胎运动条件和路表水文边界条件。对照分析了不同速度、不同水膜厚度以及不同杂物粒径条件下轮胎滚动作用对动水压力效应和孔道自洁作用的影响。分析得出:杂物粒径对自洁效应起决定性作用,相同动水压力条件下,小粒径杂物析出数量较多,大粒径杂物析出质量较大;较大轮胎速度和较大水膜厚度会产生较大动水压力,但对自洁性能影响较小。