文摘
本文建立了一个三维分层结构模型的沥青路面半刚性的基础与单引号和双横向反射裂缝的基础上,扩展有限元法和疲劳断裂理论。裂缝的数量的影响,裂缝间距和裂缝长度对应力强度因子(KI、冢和Keff)在移动车辆荷载作用下进行了研究。的断裂寿命沥青路面结构计算的基础上,对公式。结果表明,半刚性沥青路面反射裂缝是复合裂纹的I型和II型在移动车辆荷载作用下,剪切破坏是主要原因的失败。损坏路面基础将加速裂纹的数量的增加,裂缝的长度。作为两个反射裂缝之间的距离近,裂缝之间的交互叠加增强对裂纹扩展的影响。与单一非穿透裂纹模型相比,非穿透反射裂纹的疲劳寿命在双裂缝路面结构裂缝间距30厘米的降低46.87%。反射裂缝的传播机制研究本文提供了必要的理论基础和数值的设计、施工、路面结构的工作状态评估和维护。
1。介绍
由于固体完整性和承载力高的特点,半刚性的基础沥青路面已经成为在中国常见的高等级公路路面结构形式。生成的微裂隙,在作碎石强度形成过程的基础,很容易聚合形成宏观裂缝和扩大温度变化的作用下,流量负载,和其他因素1]。目前,反射裂缝的问题已经成为沥青路面半刚性的基础结构的主要失效形式,受到学者们的广泛关注。
近年来,学者们进行了深入研究一代,扩张,抑制反射裂缝的机理通过使用边界元法(2无网格法],[3),和有限元4]。由于成熟、经济、和可靠性解决复杂问题的有限元软件,有限元法广泛应用于解决复杂移动车轮荷载作用下路面结构的动力响应问题。一些研究人员使用一个简化的二维有限元模型研究基础裂纹长度和裂纹倾角的影响(5,6),不同路面材料(7)、车辆速度、轴向负载(8),和其他因素对反射裂缝的传播。在某种程度上,二维路面模型可以反映环境负荷条件下的反射裂缝的传播机制。然而,裂缝不扩大统一在路上横截面,和三维路面模型能更好地反映实际的路面结构。
为了准确地捕捉车辆加载对裂纹萌生和扩展的影响,加尔松和杜阿尔特9)利用有限元方法结合断裂力学理论建立3 d模型使用的机场公路和预设层间裂缝的方法预测每一层的开裂路面在使用过程中。结果表明,反射裂缝的机场道路混合裂纹,和一些加载条件下裂缝表现出显著的引导。李等人。10断裂的因素对公式计算通过实验,利用其预报值进行三维数值模拟反射裂缝在水泥混凝土路面的沥青覆盖。沥青的数值计算结果与室内覆盖疲劳有很好的一致性测试。裂纹扩展的程度经常被描述使用应力强度因子(SIF),研究人员可以直接理解的开裂过程。Elseifi et al。11在裂纹尖端奇异元素集和计算SIF不同的轮廓线,结果证明了应力强度因子的适用性2 d和3 d路面模型。翅等。12)建立了一个三层的沥青路面裂缝三维模型基于给定的环境温度和车辆的工作条件。模型表明,沥青路面裂缝的主要类型I + 2骨折。低速驾驶更不利的裂纹扩展。作的主要劣势碎石半刚性的基础交通荷载作用下沥青路面疲劳开裂是随着时间的推移,(13]。Zhang et al。14相比机械响应和半刚性的基础沥青路面结构的疲劳损伤修复前后反射裂缝与聚合物通过有限元方法。王先生和马15)开发了一个层间接触粘结模型模拟当地的相邻层之间的结合状态,并使用沥青路面结构模型的建立了半刚性的基地,温度对分离的影响沥青混凝土层和基础之间的区域进行了计算和分析。王,杨16]利用扩展有限元法(XFEM)研究半刚性沥青路面反射裂缝机理的共同作用下,温度和机械荷载。
总之,学者取得了许多研究成果在路面结构材料的特性,单一反射裂缝的产生,疲劳的机制传播。然而,不难发现的影响上的多个反射裂缝沥青路面半刚性的基础还有待研究。的基础上,考虑沥青混合料的粘弹性特性,本文探讨了半刚性路面结构的动态行为与多个反射裂缝的移动载荷下的车辆。本文中描述的研究集中在裂纹数量的影响,裂缝间距和裂缝长度对反射裂缝的应力强度因子,揭示了传播机制的多个反射裂缝。
2。方法
2.1。应力强度因子
断裂力学已广泛应用于裂纹分析路面工程(17]。由于在裂纹尖端应力奇异性的影响,压力是难以准确评估的工作状态不连续的问题。一般来说,应力强度因子是用来描述裂纹扩展的趋势。在基地层反射裂缝主要表现出开放的裂纹和滑动载荷作用下的裂纹扩展行为。附近的位移场的反射裂缝可以使用下列方程表示: 在哪里剪切模量。和位移沿x和y轴,这是时间的函数t。在平面应变状态下, 。 的距离计算裂纹尖端点。极坐标系之间的角度和线连接的计算和裂纹尖端点。和的应力强度因子I型和II型裂纹尖端,分别。
在裂纹尖端的应力强度因子可以使用外推法得到的节点位移。如果 ,然后
因此,I型应力强度因子可以来自垂直位移场。的价值以同样的方式获得。
普克标准(18)是用于计算复合裂纹的有效应力强度因子(1 + 2)可以定义使用以下方程:
2.2。扩展有限元法
当传统的有限元法计算和模拟静态反射裂纹的半刚性的基础,有必要使用奇异网方法由于应力在裂纹尖端的奇异性。这需要额外的节点处理和精致的元素在啮合的反射裂缝。大量的网格会导致计算困难,尤其是在3 d模型。有限元软件的有限元分析提供了扩展有限元法(XFEM)来解决这个问题19]。基于单位分解的概念,XFEM添加一个跳跃函数反映的位移不连续特征地区路面反射裂缝的结构。 在哪里是一个参数达到符合近似表达式。是一个跳跃函数,是一个扩展函数。XFEM使用下列方程来模拟裂纹: 在哪里调整函数吗实现最佳逼近。
2.3。疲劳裂纹传播理论
巴黎的公式是目前最常应用疲劳裂纹扩展模型(20.]。加载后应力周期次,裂纹扩展长度 。然后,压力是骑一次,裂纹增长 (毫米/时间)。其微分形式dC /dN所示
载荷的循环次数是通过整合上述方程。 在哪里的变异幅度给定载荷下的应力强度因子。和材料的断裂参数,可以确定实验。裂纹的长度。的累积疲劳动作时间标准轴负载。路面厚度。
路面疲劳寿命可以通过集成计算 ,在哪里和断裂疲劳分析的关键参数。
3所示。路面仿真模型
领域的道路工程、有限元数值分析的方法通常是用于研究反射裂缝的力学特性。在本节中,基于有限元分析有限元软件和XFEFM模块,编写子程序实现移动载荷,以及水平的影响考虑轮胎与路面之间的摩擦,以及多个反射裂缝的开裂机理半刚性的交通荷载作用下路面结构进行了分析。
3.1。模型描述
路面模型的长度、宽度和高度是6米,6米,4米(21]。路面结构由六层:SBS-AC13, SBS-AC20, A70-AC25,作基础,作底基层,和自然土壤,如图1(一)。图1 (b)沿着路的半节模式吗Z轴。有两个反射裂缝路面结构。反射裂缝沿横向穿透了基地Y轴,有一个平行的反射裂缝穿透左边的基地。
(一)
(b)
沥青路面半刚性的基础结构的材料参数如表所示1。沥青混合料具有明显的粘弹性,而其余层计算为线弹性材料。沥青混合料的粘弹性特征所描述的广义麦克斯韦模型本文,组成的n平行麦克斯韦元素和一个线性弹性并联弹簧元件。在参考温度下的应力松弛模量T0是 在哪里是弹簧的弹性模量元素。和的弹性模量和松弛时间吗th麦克斯韦表2弹簧模型,分别。普龙尼参数的有限元分析有限元软件的数学表达式是一致的(9);因此,它可以很好地表达了沥青混合料的粘弹性性质。表1显示了普龙尼沥青层的参数在20°C (22]。
3.2。基本假设和边界条件
在计算路面结构模型时,需要进行以下假设路面模型材料和边界条件:(1)半无限的路面结构是一个无限的系统;(2)各结构层的材料是均匀和各向同性;(3)层间位移是连续的;(4)应力、应变和位移都是零在无限深度的土壤;(5)的底部没有位移路面模型的位移x设在和z分别设在的横向和纵向约束是零。
路面模型的底部表面完全是固定的(U1 = U2 =U3 = 0,UR1 = UR2 = UR3 = 0)。垂直于双方的模型Z轴的极限位移Z在XY方向和旋转方向(U3 = 0,UR1 = UR2 = 0),垂直于两面x设在限制的位移X方向和旋转方向YZ (U1 = 0,UR2 = UR3 = 0)。
3.3。移动交通负载设置和分格
负载的运动意识到使用有限元分析软件用户子程序。DLOAD和UTRACLOAD子程序指定的变化的振幅分布载荷(F)作为时间的函数(时间 )在一个特定的坐标系统(坐标 )。UTRACLOAD需要另外指定的方向利用向量(T_USER剪切应力 )。有关中国法规规定,沥青路面的设计采用一套single-axle-two-wheel轴负载轴负载100 kN (bzz - 100)设计轴负载。当车辆停在路面,路面的接触面积的压力为0.7 MPa。同时,考虑水平力的影响,滚动摩擦系数为0.05;即水平摩擦力是0.035 MPa,驱动的加载方向是相反的方向。根据相关研究(23),轮胎接触地面的形状接近一个矩形与轴负载的增加。交通负荷区域设置为两个平行矩形区域的长度4米,宽度为0.192米,0.134米的间距。模拟车辆荷载移动速度80公里/小时。
提高模型的计算精度,采用相对细孔大小以及卡车轮路径,高应力和位移在哪里。见图2反射裂缝附近,密集的网格和负载移动区域,而较粗网格大小采用远离加载区域。C3D8R被选为网格类型和啮合后有限元素的总数是206232。
为在汽车荷载作用下路面结构力学行为,有一个叠加干涉效应之间的裂缝,当两个裂缝接近对方。效果会逐渐减少与裂缝之间的距离增加。摘要水平裂缝间距的影响以及非穿透反射裂缝高度的传播多个反射裂缝半刚性的路面结构进行了研究。
4所示。结果与讨论
4.1。的长度(h在单一的非穿透裂纹扩展
首先,路面的动力响应计算单一移动荷载作用下非穿透反射裂缝。图3显示了峰值的有效应力强度因子(Keff-max)非穿透裂纹长度不同。从图可以看出3有效的峰值应力强度因子随裂纹长度的增加。当裂纹长度是250毫米,Keff峰值相比增加了161.03%,50毫米。
4.2。间距(d)对多裂纹扩展的影响
在本节中,y方向的长度非穿透反射裂缝是25厘米。裂缝间距的影响研究multicrack路面结构的应力强度因子通过改变两个反射裂缝之间的水平距离(d= 0,100,200,300,400,500毫米),d= 0意味着只有一个通过基极层反射裂缝。
4.2.1。准备对穿透裂纹的影响
图4介绍了穿透裂纹的应力强度因子随时间的变化曲线与不同的间距。从图可以看出4(一),两个裂纹间的干涉效应更明显时,裂缝间距为100毫米和200毫米。随着负载的移动到飞机裂纹的位置,KI的贯通裂缝是一个积极的价值,并通过裂纹的I型扩张的趋势。除了100毫米和200毫米的裂缝间距,KI的价值是负的。断裂表面压对方,没有裂纹扩展的类型即KI的价值达到积极的峰值负载的移动x设在裂纹顶端附近。不难知道骨折的水平距离越来越近,峰值更可观,到达峰值的时间点也早。随着时间的推移,移动载荷将远离反射裂缝。KI的价值下降到一个负峰,然后逐渐增加,接近0。
(一)
(b)
(c)
(d)
图4 (b)显示了剪切模式下的应力强度因子随时间的变化曲线。随着负载的上部穿透裂纹,冢的价值逐渐增加积极的高峰。剪切方向变化,减少负峰值冢移动载荷后通过反射裂缝的平面。总的来说,冢的价值随裂缝间距的增加而减小。
计算的有效应力强度因子,普克标准,方便调查的全面扩张渗透裂纹在不同的间距。它可以观察到在图4 (c)Keff时间历史曲线作为一个整体呈现出“马鞍形状。“Keff达到峰值之前移动载荷经过飞机反射裂缝的位置。反射裂缝打开和剪切破坏的形式存在。摩擦和剪切的作用下路面,Keff逐渐增加时间,然后突然减少subpeak值。表现出剪切破坏裂缝由于关闭压缩下的裂缝。相比之下,一个穿透反射裂缝,增加沥青路面结构裂缝的数量将大大提高Keff穿透裂纹的价值。如图4 (d),Keff峰值通常表明随着裂缝间距的增加递减趋势。Keff-max价值100毫米的裂缝间距与单一穿透裂纹相比增加了67.70%。裂缝间距的影响在Keff峰值后逐渐削弱了裂缝间距增加到300 mm。Keff-max当裂纹间距为500 mm只会增加13.25%。更重要的是,它可以观察到剪切破坏条件下的应力强度因子,在一般情况下,比这更重要的在打开失败。因此,剪切破坏的主要原因是路面反射裂缝的出现。
4.2.2。对非穿透裂纹的影响
图5提出了非穿透裂纹的应力强度因子随时间的变化曲线与不同的间距。随着负载的移动沥青路面,KI的价值首先增加迅速减少负峰,趋于0时顺利。随着负载的反射裂缝,KI的价值是一个积极的价值摩擦力和压力的作用下,裂纹是在开放模式扩张状态。KI从正到负的价值负载后经过飞机反射裂缝的位置。横向摩擦关闭裂缝导致裂纹表面被挤压。
(一)
(b)
(c)
(d)
类似于图4 (b),图5 (b)表明冢第一的价值逐渐增加到一个积极的峰值,然后迅速下降到一个负峰,最后往往平整。剪切应力的变化方向的反射裂缝原因冢积极和消极变化。类似于穿透裂纹,应力强度因子大于剪切模式,在一个开放的方式。
图5 (c)和图5 (d)显示Keff时间历史曲线和非穿透裂纹的峰值,分别。见图5,Keff第一峰值的增加缓慢,随后随裂缝间距的变化而减小。小Keff高峰的原因裂缝间距的100毫米可以穿透裂纹的非穿透裂纹将承受更大的压力两个裂缝更紧密地联系在一起。Keff峰值在200毫米的裂缝间距达到最大,这也意味着unpenetrated裂缝最有可能向上生长。当裂缝间距大于300毫米,裂缝间距的影响的峰值Keff逐渐减少。相比之下,图中的数据4 (d),可以看出裂缝间距对穿透裂纹的影响更大。
4.3。的长度(h在多个裂纹扩展)
在本节中,两个反射裂缝之间的水平间距是20厘米。一系列的模型不同裂纹长度的非穿透裂纹。非穿透性裂纹长度的影响(h= 50、100、150、200、250毫米)传播的多重反射裂缝在沥青路面结构进行了分析。
4.3.1。对穿透裂纹的影响
图6给出了穿透裂纹的应力强度因子随时间的变化曲线与各种非穿透裂纹的长度。如图6(一)的KI价值穿透裂纹时最大的非穿透裂纹的长度是50毫米。随着非穿透裂纹的长度增加,穿透裂纹的KI时程曲线基本上是一致的。此时,非穿透裂纹的不同大小几乎没有影响开放式穿透裂纹的传播。图6 (b)表明unpenetrated裂纹的长度有显著的影响在穿透裂纹的纪伊价值负载转移到飞机裂纹的位置。这是由于unpenetrated反射裂缝在该地区的存在。它可以看到从图6 (c)unpenetrated断裂的长度有显著影响的有效应力的峰值因子渗透骨折,尤其是在第0.09秒。由于KI和冢的较大值,Keff峰值比其他模型,和裂纹扩展的趋势和失败是显而易见的。Keff的峰值时呈下降趋势unpenetrated裂纹长度从50毫米到250毫米,上升和下降速度逐渐慢了下来。这表明当一个微观裂纹是发起在穿透层底部的反射裂缝,穿透裂纹将分享更多车辆加载,其开裂速度更快。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.3.2。对非穿透裂纹的影响
图7说明了非穿透裂纹的应力强度因子与不同长度随时间的变化曲线。纪伊时间历史的II型应力强度因子曲线unpenetrated断裂是类似于图6 (b)。然而,所不同的是,纪伊非穿透裂纹的负峰值也在一定程度上降低。从图7 (c)和图7 (d)可以看到,它的峰值应力强度因子的非穿透裂纹长度增大而增大,但增长速度不断下降。总之,裂纹首先从基础层的底部裂开半刚性的沥青路面结构。裂缝蔓延到沥青路面层车辆荷载的作用下,和破解的速度逐渐加快。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.4。裂缝非穿透裂纹的生活
的断裂寿命沥青路面结构计算的基础上,对公式。的值一个和n在(10)作为10 - 6.92和4分别为(24]。摘要断裂生活,非穿透裂纹的扩展从最初的深度对整个基地层移动载荷下,计算假设基本层裂缝初始长度是5厘米。
Keff数据非穿透反射裂缝在不同深度的人物3和7 (d)安装使用以下公式: 在哪里拟合多项式系数。反射裂缝的长度。骨折的生活可以用计算拟合多项式方程(10)。的拟合多项式的峰值的有效应力强度因子unpenetrated裂纹在不同深度和其断裂寿命如表所示3。
从表可以看出3疲劳寿命的非穿透反射裂缝扩展从5厘米长贯穿整个基地层穿透裂纹时减少了46.87%。由于多个裂缝之间的干涉效应,与多个反射裂缝半刚性路面的使用寿命将大大缩短。
5。结论
众所周知裂缝的预防和控制是一项长期研究公路工程领域。正确认识裂缝之间的传播机制将有助于道路研究人员做出正确的设计和治疗决策。在这项研究中,采用大型有限元软件ABAQUS建立3 d沥青路面模型。多个反射裂缝的传播行为研究了半刚性的路面使用扩展有限元法和疲劳断裂理论。基于仿真结果,可以得出以下结论:(1)在半刚性的路面反射裂缝复合裂纹的I型和II型移动载荷的作用下。KI的价值比的大冢single-cracked结构和double-cracked结构,表明剪切开裂的主要原因是传播的反射裂缝。关于一个裂缝,SIF在多个裂纹结构显著增加。反射裂缝的数量的增加将会加速裂纹扩展和路面损伤。(2)假设非穿透裂纹的长度是常数,裂缝间距的增加将逐渐减少穿透裂纹的增长速度,而非穿透裂纹的增长速度显示的趋势先增加然后减少裂缝间距的增加。根据Keff峰值分布,反射裂缝间距有更重要的影响渗透裂纹。(3)假设裂缝间距是恒定的,非穿透裂纹的增长速度在单一裂缝路面模型和多个裂缝路面模型所有加速裂缝长度的增加,但增加的范围不断减少。穿透裂纹的传播不受非穿透裂纹的长度的影响。总之,增长率unpenetrated裂缝在基础层增加传播向表层。(4)基于对公式,unpenetrated反射裂缝的疲劳破坏生活,最初5厘米的长度进行了计算和分析。骨折半刚性的基地生活多个裂缝路面结构减少46.87%相比,基本只包含非穿透反射裂缝。可以看出,沥青路面结构的使用寿命将会严重缩短多个反射裂缝的出现。因此,应注意早期防治反射裂缝起始阶段。例如,探地雷达发现的裂纹的位置。随后,反射裂缝消除方法等聚合物灌浆。
数据可用性
所有的数据都包含在本研究可从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。