基于有限元法的级配碎石基层沥青路面疲劳寿命预估

作     者：谢远勇 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴国雄

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：级配碎石 有限元法 层间粘结 回弹模量 疲劳寿命 

摘      要：与传统半刚性基层沥青路面相比,级配碎石基层沥青路面具有排水性好、行车舒适度提高的特点,可减小基层与面层的模量差,降低反射裂缝的出现几率。然而,级配碎石属于无粘结性材料,其力学强度主要依靠骨料之间的嵌挤,需要形成骨架密实型结构,并且在有侧限条件下才能发挥较好的受力作用。本文通过试验及理论模拟研究,优选级配碎石基层的级配类型和层间粘结类型,力求弥补级配碎石力学强度的不足,充分发挥其排水性能良好等优点,使之在公路建设中得到更广泛的应用。通过静态CBR试验和回弹模量试验,发现级配碎石具有最大干密度越大,对应的CBR值越大,变形率相应越小,回弹模量越大的特点。在此基础上,运用Cooper气动伺服试验机进行动态CBR试验,测试应变变化的相关系数以及蠕变模量值,变化率越小,蠕变模量值增加,力学性能越优。运用ABAQUS有限元软件构建模型,从上到下依次分为沥青混合料面层、稀浆封层、透层油(乳化沥青)、级配碎石、土基。为体现级配碎石的颗粒性及非均匀性特点,采用D-P模型对其进行定义;定义面层和稀浆封层为弹性材料。优选三种基层级配,分别设置不同封层厚度条件,施加标准荷载和边界条件,计算有限元模型,对竖向位移、轴向应力和剪切应力进行对比分析。经过试验研究和理论分析,改善级配碎石基层的力学性能有助于提高柔性基层沥青混合料路面的强度和抗变形能力;使用粗颗粒较多的稀浆封层级配类型ES-3,并适当增加封层厚度,有益于路面结构层间粘结强度提高;级配类型、封层厚度两个因素,级配类型影响较明显。温度是柔性基层沥青路面不可忽视的影响因素,经过竖向位移和Mises应力综合分析,得出在荷载作用下,温度在0～10℃范围内对路面结构的影响最小。本文采用自制模具成型疲劳试验试件,以45°斜剪试验作为疲劳试验方法,结果表明疲劳行为与级配碎石基层类型及层间粘结情况有关,依据试验测出的疲劳作用次数,结合基层级配碎石回弹模量、封层厚度、沿着行车方向层间应力进行疲劳寿命预估方程的拟合,得出建议性的疲劳寿命预估模型;同时,拟合结果具有保守性和延展性,具有一定的实际应用价值。