半刚性基层沥青路面热应力耦合分析.pdf

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1、浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本学位论文是在导师王金昌副教授的悉心指导下完成的，从论文选择到最终 成稿，他始终给予我细心的指导和不懈的支持。王老师对我们学生亦师亦友，他 严谨的科学态度和治学精神、精益求精的工作作风、为人师表的品学、坦诚待人 的高尚品格、豁达的胸襟、孜孜不倦的教诲使我终身受益。三年来，王老师在学 习、生活、工作上给予我以极大的关怀、支持、理解和帮助，师恩难忘，我将永 记心中。 在浙江大学的硕士求学生涯转眼间就要结束了，在这段珍贵的岁月里，浙大 教会了我实事求是的学风，不但给了我认识，更教会了我做人的道理。此外，还 有和我朝夕相处的同窗和各位师兄师弟们。特别感谢王孝红、刘卓、

2、曾志远在研 究生学习、生活中对我的帮助，感谢王夕鹏、徐小剑、张雷、谭真、王方中、曾 志远、陈亦声、吴中华、赵朝发、罗圆月、胡蓉、林聘等，谢谢严明星、杨秀娟、 章俊灿在我做硕士论文期间对我的帮助，感谢浙江省交通科学研究所道路室迟凤 霞主任、杨韵华老师、郑丽华、张华卿在我实习期间对我的帮助，使我有了一段 愉快的实习经历。谢谢你们陪我度过了人生中最珍贵年华的这一段，也感谢你们 在我的研究中和生活中给予了我热情的关心和积极的帮助，这份兄弟姐妹般的纯 洁友谊是我人生宝贵的财富! 感谢我的父母和弟弟妹妹，谢谢他们对我无私的关爱和支持，他们永远是我 奋斗的精神动力和力量源泉。感谢老公刘兵伟在这三年来一直对我

3、的支持和照 顾，因为有你的支持，才使我渡过了这三年最困难的时间，为我分难解忧，做我 坚实的后盾。 亲情、师生情、友情，人世问最美好情感，是如此的弥足珍贵，我将一直怀 揣它们铭记这段岁月，心存感恩地去赋予未来人生该有的意义。 孙丽娟 2 0 1 3 年2 月于紫金港 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 据考古资料，早在1 5 世纪的印加帝国就开始修筑了沥青碎石路面。其后在 1 8 3 2 1 8 5 8 年间，分别是英国和法国也分别用天然沥青修筑沥青路面；而我国在 2 0 世纪2 0 年代，上海才开始修筑沥青路面；1 9 4 9 年以后，我国多条城市道路和 公路干线

4、开始广泛应用沥青路面【。随着我国经济的快速发展，我国的高速公路 事业也迅速发展，1 9 8 9 年l O 月份，我国第一条高速公路上海至嘉定高速公路建 成通车，拉开了我国高速公路发展的序幕，截止1 9 8 9 年底我国高速公路历程仅 为2 7 1 公里，但是截止蓟2 0 1 2 年底，我国公路通车里程已达到4 1 0 万公里，高 速公路通车里程也将接近l O 万公里。然而伴随着经济的快速发展，由于重载超 载现象越来越严重，对我国公路的使用性能要求变得日益苛刻，由于无机结合料 稳定类的半刚性材料强度高、承载能力大、刚度大、平整度好、抗疲劳性能强、 造价低、取材方便等优点，所以它已成为国内外高等级

5、公路路面结构的主要结构 形式。 我国主要建成高速公路如1 9 8 9 年建成的西三一级公路、1 9 8 8 年建成的沈大 高速公路、1 9 9 6 年建成的沪宁高速公路、八达岭高速公路以及随后建成的京沪、 京哈、京珠三大高速公路主干线，大部分路段都达到了相当高的使用水平。 英国通过对试验路几十年的变形和开裂的观测表明，沥青稳定碎石基层比其 他基层路面具有更好的使用性能，因此，沥青稳定碎石成为英国高等级道路最主 要的结构类型。英国半刚性基层沥青路面基本用于中、低等级交通的道路中，在 大交通量的高速公路中一般不使用，这与美国路面结构有一定的相似性。 =_ 美国2 0 世纪7 0 年代以来的高等级沥

6、青路面很少使用半刚性材料作为基层或 底基层。其结构为沥青层厚一般为1 8 5 0 e m 半刚性材料一般厚1 5 3 0 c m ，沥青 层厚与半刚性材料层厚比接近2 。 德国在2 0 世纪6 0 年代的典型结构式采用沥青混凝土+ 厚级配碎石基层。现 在，德国沥青路面结构以全厚式沥青路面和沥青层下卧层一定厚度的级配碎石或 浙江大学硕士学位论文l 绪论 级配砂砾为主，沥青层较厚。德国半刚性材料作为底基层，厚度统一为1 5 c m ， 其上是采用较厚的沥青层，具有较好的使用性能。 日本路面结构形式基本为l O e m 沥青混凝土+ 8 1 5 c m 的沥青稳定碎石 + 1 0 h 一3 0 c

7、m 的粒料底基层或水泥稳定碎石底基层。日本的高速公路中，级配碎石 底基层占8 0 ，其余2 0 为水泥稳定碎石底基层。 我国的高等级道路多数采用以二灰材料和水泥稳定材料为主的半刚性基层 沥青路面。由于我国高速公路的建设起步较晚，技术力量储备相对薄弱，以及我 国的气候和交通荷载条件恶劣，车辆超载现象严重，沥青路面出现了很多病害， 如裂缝、车辙、松散、坑槽、水损害、冻胀和翻浆、沉陷、推移、拥包【2 。3 1 ，如 图1 1 1 4 。其中裂缝是沥青路面最主要的一种破损形式，这也是世界各国普遍存 在的问题，往往其他病害的发生都是从裂缝的进一步发展所引起的。裂缝按其成 因不同分为纵向裂缝、横向裂缝和网

8、状裂缝三种类型；按其表现形式分为表面裂 缝和反射裂缝【4 】。关于沥青路面的裂缝产生原因有很多与沥青和沥青混合料的性 质、基层材料的性质、气候条件( 特别是冬季气温及其变化) 、交通量、车辆类 型及施工因素等都有关系，而且裂缝往往不是单独的、稀疏的或是较有规则的， 而是稠密的、有时相互联系的，甚至是网状的裂缝。裂缝的危害在于从裂缝中不 断进入水分使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、网裂、加速 路面结构损坏，甚至路面很快产生结构性破坏。纵向裂缝是指基本上平行于行车 方向的裂缝。横向裂缝是指垂直于行车方向的裂缝。松弛，也会导致沥青面层的 开裂。反射裂缝分温度型和荷载型反射裂缝；半刚性

9、基层先产生裂缝，而面层没 有裂缝，但是在温度与行车荷载的作用下，在基层裂缝顶部即面层层底产生应力 集中，进而导致面层底部开裂，以后逐渐向上发展贯穿整个面层厚度 5 1 1 4 3 。半刚 性基层的开裂通常由温缩或干缩引起，且半刚性基层沥青路面开裂是必然的这个 观点已成国内外的共识。 浙汀大学硕士学位论文绪论 图I I 纵向裂缝及车辙图1 2 横向分布推移裂缝 圈1 3 现场取芯半刚性基层松散圈1 4 沥青路面网裂、坑槽 半刚性基层材料由于其具有准脆性和对温度、湿度的敏感性，在其形成和使 用过程中会因温度与湿度的变化产生温缩、干缩裂缝，当沥青面层较薄时往往会 扩展到面层形成反射裂缝。又由于沥青混

10、合料具有较强的温度敏感性，是一种粘 弹性材料，其强度和模量受温度影响较大，随着温度的升高其强度和模量急剧下 降；随着温度的降低，其强度和模量增加。在夏季的高温季节，沥青混合料的强 度和模量大幅度下降，在行车荷载的反复作用下，轮迹带就会逐渐变形下凹，轮 迹带的两侧就会逐渐鼓起，形成车辙。当车辙达到一定的深度时，辙槽内就会积 水，路面就会迸一步发生水损害，并影a 向行车的舒适性和安全。在寒冷冬季或在 温差较大的季节，变形能力降低，变得脆硬，在温度和荷载作用下易产生初冻或 初融裂缝、冻胀裂缝、低温收缩裂缝及温度疲劳裂缝等破坏现象，其中以低温收 缩裂缝更为普遍。 但是近午来，国内多条高速公路沥青面层甚

11、至基层在通车几年后不得不进行 大中修，其主要原因之一就是忽视沥青面层层间以及基面层问的粘结、防水等层 间处治问题。通过路面钻芯取样也发现沥青混凝土层与水泥稳定层之间以及沥青 混凝土层之间的粘结很薄弱1 6 7 l 。路面产生滑移病害的一个重要原因就是沥青面 层与基层之间粘结力不足造成的，在车辆加速、减速和转弯处等处由于粘结力不 足更易导致层间滑移病害I8 1 。所以，一般认为，导致层间滑移病害的原因主要有 1 浙江大学硕士学位论文l 绪论 两个冰平力的作用( 剪切破坏) 和层间粘结强度不足睁肼。文献试验资料表明基 面层间抗剪强度随着温度的升高，其层问抗剪强度和拉拔强度越小，则层间破 坏主要发生

12、在夏季高温季节。目前，路面设计中一般假设路面各层间是完全连续 接触的，这与路面结构的实际情况不符，实际上，很难做到沥青层与半刚性基层 的完全连续，即使是沥青的上、中、下面层之间，由于施工污染特别是基面层 间没有经过严格处理对层I “ - 1 抗剪能力的影响很大【1 ，在荷载、自然环境等外界因 素的作用下，层间界面连接状态也会发生改变，因此，路面结构设计时的假定条 件是不准确的，在这种情况下，理论验算的结果准确性可想而知。 所以为了确保沥青路面的高温稳定性性能及在低温下的抗裂稳定性，就必须 深入研究在考虑层间接触的状态下沥青路面在高、低温条件下的性能，分析沥青 路面的温度场和应力，对沥青路面高温

13、稳定性及低温缩裂问题的解决有十分重要 的现实意义，可以进二步探讨提高沥青路面的高温稳定性、改善路面的低温缩裂 性能的措施，对减少车辙、裂缝、延长道路使用寿命，提高路面结构整体受力性 能，十分重要。 1 2 层间接触国内外研究现状 1 2 1 层间力学特性研究 路面层间接触条件对道路的使用性能的影响非常显著，会引起层底拉应力和 基面层间最大剪应力发生较大突变，有可能会引起层问相对滑移，且相对滑移 位移量会随着层间粘结作用的失效而增加。较小的力学强度，使沥青混凝土面层 容易出现早期破坏，主要表现为：车辙、波浪、拥挤、剥离、月牙裂缝、滑移、 路面坑洞、脱落、水损害、唧泥等【1 2 1 3 1 。在层

14、间粘结失效的情况下，路面结构的 受力极其不利1 1 4 1 。为了使路面结构能够达到规范设计所要求的承载能力并具有较 长的使用寿命，路面结构层间必须具有较好的粘结性能。所以对我国半刚性基层 沥青路面基面层间的接触问题迸行研究具有重要意义和十分重要的。为此，国 内外许多学者对此作了大量的研究。 在1 8 8 2 年H H e r t z 在其发表的经典论文论弹性固体的接触首次提出了 接触问题。H H e r t z 在他的论文中，较为系统地描述了弹性接触问题，提出了经 典的H e r t z 弹性接触理论。我国长沙理工张起森教授1 1 s i 根据弹性层状体系层间接 触面的实际状态，提出了一种考

15、虑层间非线性接触的有限元增量子结构分析法。 4 浙江大学硕士学位论文l 绪论 该方法把层间界面的接触状态当作应力的函数，根据剪应力与抗剪力的对比关 系，决定各接触点的具体接触性质汾离、完全滑动状态、有摩擦接触等。计算 表明，这种分析方法较弹性层状体系理论假定接触界面完全滑动或完全连续的分 析结果，是更为合理的。而刘红坡、艾长发1 1 6 “ 1 在分析沥青路面各结构层的接触状 态时，也验证了接触模型较连续模型更适合描述路面的力学特性。 路面结构中基层与面层层问相互作用力的表现极其复杂【1 7 1 ，国内外大部分学 者都采用古德曼模型来分析层间接触状态的基本模型，在这一模型中，对层间联 接界面处

16、的剪切反应柔量进行量化，而其模型最早是由古德曼本人提出来的，并 已其名字命名，其具体表达式如下【1 8 l ： f = K 缸 ( 1 1 ) 1 9 9 7 年A lH a k i m 1 9 l 研究研究沥青路面时，采用古德曼模型来分析层间接触 状态认为： K O 0 1 M P a m m 完全光滑 O O I M P a m m K 1 0 0 1 V l P a m m 中间状态 K 1 0 0 M P a m m 完全连续 冯德成和宋字【7 I 加】结合试验验证应用层闻粘结系数K 来表征路面层问结合 状态的变，并充分论证其可行性。建立不同试验组合对层问粘结系数值进行测定， 并引入了

17、层间粘性百分率这一计算参数来修正沥青路面设计计算值指标。 I - l a c h i y a 和S a t o l 2 1 I 通过计算分析得出，如果层问剪应力超过层间的抗剪强度， 路面面层则容易发生层问脱离，造成路面结构过早发生破坏。R o 臆和c h e i g n o n 2 2 】 研究认为层问不是完全连续时可能会使路面由原来2 0 年的设计寿命减少到只有 7 8 年的使用寿命。K 堍和严3 】采用B i s a r 程序对沥青路面不同层间接触下的 路面进行了疲劳寿命分析研究，认为当层间j 粘结强度下降l o o 时，路面的疲劳寿 命将会下降5 0 。 刘红坡【烈】在其硕士论文里设置了

18、三个粘结层，用摩擦系数来表征上面层与 下面层、下面层与水泥稳定碎石基层、水泥稳定碎石基层与水泥稳定碎石底基层 浙江大学硕士学位论文l 绪论 之间的剪应力，其粘结层的摩擦系数均取值为0 5 ，且接触面处仅竖向应力和位 移是连续的，基层与路基之间完全连续。 颜可珍、江毅瞵1 在弹性层状体系的基础之上，运用古德曼模型分析了沥青路 面加铺层的受力及变形规律，并同时考虑了水平力的影响，其研究认为：层间接 触不良、水平力均会使加铺层弯沉、拉应力变大；但是其变化对加铺层表弯沉影 响不太显著，但对拉应力影响显著；不同器面的粘结强度对加铺层剪应力影响与 水平力大小有关。 H a S s a nZ i a r i

19、 h 和M o h a m m a dM K 1 2 6 1 研究认为柔性路面所有的力学设计方法 都是以a l g o r i t h m s 计算路面结构层应力、应变、位移为基础的。为了简化结构模 拟及计算过程，在大部分的计算方法中，都是假设路面结构层问是完全连续的。 也有少数模型设计方法令层间粘结系数在0 ( 完全光滑) 1 ( 完全连续) 之间。 即使这样，层间粘结系数的定义也是很日难的，因为并没有一个标准的试验方法 来测定它。因此，找到一个比较合适的模拟层问粘结状态的方法是很重要的，以 更好的来理解路面结构层之间粘结的真实状态。 白雪梅1 2 7 l 采用多层弹性体系G A M E S

20、 计算程序主要计算了层间不同接触状 态对表面弯沉及拉应变、面层内剪应力、沥青层底拉应变及剪应力的影响。其研 究认为：层间粘结状态的改变对沥青层底的拉应变影响、路表的拉应变和基层底 拉应交的影响均比较显著，对基面层问的剪应力影响次之；而对路表弯沉、面层 内最大剪应力影响不大。 聂忆华、张起森【2 8 】等于线弹性层状体系理论，采用路面结构有限元法，探讨 高等级公路沥青路面剪应力的分布规律、影响因素及其评价方法。 刘朝晖1 2 9 J 取轮压为0 7 4 M P a ，温度分别为5 、1 5 “ C 、2 5 “ C 时对设置土工布 的改性沥青粘结层抗剪强度进行试验，发现温度对抗剪强度的影响效应比

21、较明 显，：接近于线性交化，回归公式如下式： 0 = _ 0 0 2 2 7 T + i 4 9 3 1 。 ( 1 2 ) 式中：f ，为抗剪强度； 丁温度。 苏凯、刘丽和郝培文等分析了沥青路面表面月牙形裂缝的开裂机理，指出月 牙形裂缝产生的原因是基面层之间的由抗剪强度不足，引起的相对滑移【9 1 1 3 0 1 ； 6 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 而且刘丽、郝培文1 3 0 1 分析认为纵向拉应力和剪应力的分布规律分别与U 形裂缝 的底部和两侧位置相吻合，且U 形底部开裂是拉应力导致的张开型裂缝，U 形 的两侧开裂是剪应力导致的剪切型裂缝。 1 2 2 层闻力学特性试验研究现状 ( 1

22、 ) 直接拉伸试验 直接拉伸实验是一种很常用的用于测定路面层问抗拉拔强度的实验，而且在 澳大利亚是一种标准试验方法【3 ，在英国，粘结拉拔实验在B SE N l 3 8 6 3 2 中是 决定混凝土路面接触层1 7 粘结状态的一种标准试验方法1 3 2 1 。 在德国，常用的用于决定薄罩面层下面层间粘结抗拉拔强度的方法就是粘结 拉拔实验田l 。在实验中，试件的直径为1 5 0 m m ，两边各切2 5 r a m ，深度为1 0 m m ， 活塞直径为1 0 0 m m 与路面核心粘结到一起，这时钢圈放置在活塞的周围，然后 被固定在基底。然后，直接拉伸试验机在轴向拉伸活塞。其拉伸试验装置如图

23、1 5 所示。 圈1 5 拉伸试验机示意圈 ( 2 ) 剪切试验 L A C C o l l o p 3 4 1 - 5 之中介绍了采用L e t l m r 实验方法来测定沥青层之间的剪 切粘结性能。试件为实验室成型试件和现场取件。采用改进的L e u n t e r 实验( 增 加了5 m m 的间隙) 来减少试件边缘破坏对实验结果的影响。并且使用一个3 0 m m 厚带槽的金属圆筒来减少剪切强度对面层厚度的依赖。试件尺寸直径为1 5 0 m m ， 高为1 2 0 m m 。图1 6 为L c u t r 七r 实验照片和示意图。实验速率为5 0 m m m i n ，试 验温度为2 0

24、 。 7 l 绪沦 图1 6L e u t n e r 实验照片和示意图 在19 9 2 年，意大利的学者们开始研究A S T R A 实验1 3 引，主要应用于影响公 路养护和维修时的各种影响因素，并考虑路面受剪切的影响。A S T R A 实验也是 一种直接剪切实验。其试件可以为棱柱体( 最大截面尺寸为1 0 0 “ 1 0 0 m m ) 和圆 柱体( 直径9 4 1 0 0 r m a ) 。其实验仪器如图1 7 所示。 图1 7A S T R A 实验示意圈 澳大利亚发展了一种在形式上很像L e u t n e r 实验的剪切试验仪。这种剪切试 验仪的剪切速率是5 0 m m + 3

25、 m m m i n ，至少有三个试件形成连个粘结层，试件的 直径为l0 0 + 2 m m ，实验的标准温度为2 5 + 1 。如下图1 8 所示，就是澳大利亚 标准R V S1 1 0 6 5T e i l1 1 3 6 1 。 浙江大学硕士学位论文 l 绪沦 止咖 侧面 图1 8 澳大利亚标准R V SI i 0 6 5T e i lI 剪切仅装置的正面和侧面图 C r i s p i n oe ta 1 1 3 7J 设计了一款动态剪切试验来测定动态的沥青路面层1 “ 4 剪切反 应模量。他们在不同的试验温度和频率下进行了实验，他们最后实验得出，动态 沥青路面层间剪切反应模量是静态的剪

26、切反应模量的三倍。其实验装置结构图如 下图1 9 所示。 试件、 、 F 、 制圈、 啊娃 j “ 、 、 F n 爹 袖轴艋 ， 钢f - 7 j 。螺纹 j 扩7 荔； 图1 9 动态剪切试验仪 R o r m n o s c h ia n dM e t c a l f1 3 8 - 3 9 l 在实验室施加不同的法向力( 13 8 - - 5 2 2 k P a ) 进 行了直接剪切试验。其实验装置如下图所示，沥青试件取芯直径为9 5 m m ，在剪 切位移达到1 2 m m 之前，斫施加的实验剪切速度为1 2 m m m i n 。剪切力( F v ) 、 法向力( F h ) 及剪切

27、位移在实验过程中均被记录和控制的。 R o m a n o s c h ia n dM e t c a l f 3 9 1 同时也设计了一款剪切疲劳实验装置，其试验装 置如图1 1 0 所示剪切面与水平片之间的夹角为2 4 5 ，所以剪切面的剪切力 9 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 是法向应力的二分之一，竖直方向施加了一个频率为5 H z 的动荷载。他们指出 这个实验很难确定出疲劳损伤值。 圈1 1 0 囊劳冀切试验倪 法国的L i m o g e s 大学的3 M s C E 4 0 1 ( M e c h a n i ca n dM o d e l l i n go fM a t e r

28、 i a l sa n d S t r u c t u r ei nC i v i lE n g i n e e r i n g ) 实验室改进了一款M C S ( M o d i f i e dC o m p a c t S k 盯i n g ) 实验仪器来测定沥青层与混凝土之间的疲劳位移与剪力试验如图1 1 1 。 牯结层 荷载 圈1 1 1M C S ( 3 M s C E ) 试验便筲圈 在图1 1 l 的基础上设计了一款改进了的剪切仪，荷载加载量为 ：斟5o 0 E l 0 一，其层间剪切位移由L V D T 设备直接测定，其设备简图和试件如 下图1 1 2 所示。 1 0 浙I ：

29、大学硕士学位论文1 绪沦 U 孵 0 f l h c 图I 12改进型剪切试验仪 l 瞰酬- 戤s 砌瞰 ( 3 ) 扭转实验 在做扭转实验时，以一个固定的扭矩或者转速来转动试件的顶部，在试件的 界面处会产生一个扭转剪切损伤应力。在界面处发生损伤时的扭矩值及剪切强度 可以计算出来，扭转实验即可人工控制实验变量也可机械控制。 根据W a l s h 和S w e d e n l 4 1 l 介绍，人工操作的扭转实验最初是由S w e d e n 发展 进行室内试验来测定层间粘结状态的。实验扭转速率为6 0 0 N m m i n u t e 其扭转实 验装置如下图1 1 3 所示。 扭矩 、至三

30、三ij； 谛 正面图 拟矩扳丁置 图I 1 3 扭转试验仪简图 侧面图 关于路面的层间剪应力问题，国内学者针对研究的对象提出了许多室内试验 设备，其中最有代表性的如下1 7 1 1 4 2 1 ： 1 关昌余等为测定层闻抗剪模量，哥发了如下图所示的直剪f 父。 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 1 L P 圈1 1 4 测定抗剪模量的直剪仅示意田 2 河南省公路局在研究R C C A C 复合式路面中的R C C 和A C 层之间的结合 状态时，开发了如下图所示的层间剪应力试验仪。 圈1 1 5 层问剪应力试验仅示圈 3 同济大学在进行沥青铺袭层和水泥混凝土桥面的界面粘结性能测试时，开 发了如下

31、图所示的荷载模拟加载装置。 圈1 1 6 加蓑蓑里示意圈 4 西安公路交通大学也在研究R C C A C 复合式路面中的R C C 和A C 层之间 的结合状态时，开发了套智能测试系统( L L M ) 。 1 2 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 圈1 1 7L L M 涓试j I I 麓试验布置示意圈 浙江大学王金昌自主设计研发了拉剪耦合试验机，其如图1 1 8 图1 2 0 所示。 其技术构思为：国内外并没有水平向可施加拉伸荷载并于竖向剪切荷载同时作用 的沥青路面拉剪耦合分析的试验设备。而常规的沥青路面破坏形式主要有开裂与 车辙，其中沥青路面开裂的最主要原因就是车辆荷载与低温造成的温度应力

32、，而 路面结构在这两种荷载的作用下，是一种拉伸与剪切耦合作用过程，国内外在这 方面的研究是一个空白。 研究开发温度条件可控，能够模拟沥青混凝土材料在拉伸与剪切耦合作用的 试验设备来模拟路面结构在实际使用过程中在行车荷载与温度荷载作用下的力 学响应的试验设备具有重要的意义，同时还可用于理论研究和工程现场检测，为 实际工程质量控制以及沥青混凝土材料性能研究提供依据和支持。 本发明的有益效果主要表现在：在温度可控条件下实现拉伸( 或压缩) 和剪 切耦合特性检测。 圈1 1 8 为沥青混合料拉剪辆合试验系境示意圈 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 初始参数 圈I 1 9 为闭鼙钶晨暮藐控屎基田 圈1 加

33、为圈1 的I 1 词i 示意圈 由于沥青混凝土面层与半刚性基层的剪切强度受到基层养护龄期及表面粗 糙度、粘层油种类和洒布量、沥青油石比、土工布材料种类和布设方式、有无竖 向荷载及荷载大小、加载速率、加载方式、试验温度和仪器设备、实验方式等因 素的影响。文献 4 4 1 规定了透层油渗透入基层的深度宜不小于5 m m ( 无机结合料 稳定集料层卜l O 伽n ( 无结合料基层) ，并能与基层联结成为一体来保证层f l 界面 粘结强度；文献 4 5 1 规定了沥青应力吸收膜、沥青应力吸收层、聚脂土工布粘层 具有防止反射裂缝和加强层问结合的作用”；粘结层沥青洒布量“一般新建沥青面 层之间可洒布乳化沥

34、青乳化沥青洒布量宜为0 3 “ - 0 5 U m 2 ( 沥青含量约为0 1 5 “ - - 0 2 5 I m 2 ) ；在旧沥青路面或水泥混凝土路面及桥面板上洒布粘层沥膏时，应洒布 改性沥青或同标号热沥青。沥青洒布量宜为0 8 1 4 L m 2 ，并洒预拌碎石或 3 7 5 9 5 m m 或3 S n u n 碎石。+ 也可洒布改性乳化沥青。但是并没有规定室内和 现场标准试验方法和试样制备方法、大小和形状。 目前层问实验主要的加载速率有0 8 5 、2 5 、l O 、1 9 0 5 、2 0 、5 0 、5 0 8 m m m i n 和2 2 2 5 N m i n 等几种【4

35、6 1 。试验资料表明基面层f , - - j 抗剪强度随着加载速率的增加 1 4 浙江大学硕士学位论文 I 绪论 而增大。同时资料表明5 0 l m n m i n 是一个较为合适的加载速率，其与目前室内常 用的马歇尔稳定度仪加载速率相等，因而被国内外研究者广泛采纳；目前层间实 验的主要试验温度有2 0 、0 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、4 0 、5 5 、6 0 “ C 等几种1 4 7 4 9 1 。 1 3 温度场国内外研究现状 路面温度场的分析由来已久，各国对沥青路面和水泥路面的温度分布状况 进行了大量试验研究，因为我们国家主要采用半刚性基层沥青路面结构，所以

36、 对该种路面结构温度场分布及其引起的温度应力进而导致路面开裂研究较多。 大气的温度在一年内和每天发生周期性的变化，而路面直接处于大气环境 中，其在一午内和每天相应的发生变化。据调查分析沥青路面路表温度与大气气 温之间还存在一个差值，这个差值可高达2 3 刚，路表温度与大气温度的差值 手风速影响较大。在降温幅度较大时，若风速较大，则路表温度与大气温度差值 则较大1 5 。由于路面与大气温度之间时刻进行着热能量交换，而要准确描述路面 结构体的温度分布规律及温度随时间的变化是很困难的。由于受沥青路面各结构 层体的传热系数的影响故向路面深度处传递时需要一定的时间，且在能量的传 递过程中由于能量耗散，随

37、着路面结构不同深度处的温度是各部相同的，与路表 有一定的温差。为了分析温度场变化对路面结构的产生的应力作用，需对温度场 进行适当的简化。在大幅度急剧降温的过程中，沥青路面表面会产生的较大的温 度收缩应力。一旦表面产生的温度收缩应力超过沥青混凝土的极限抗拉强度，沥 青路面表面就会产生温度收缩裂缝。所以研究在温度场的作用下路面结构的受力 状况显得尤为必要，但同时确定沥青路面结构温度场的变化情况就是解决问题的 关键。 路面温度场理论首次是由B a r b e r l 5 2 1 于1 9 5 7 年提出来的，采用热扩散理论， 主要考虑了风速、太阳辐射、降雨和气温等参数，建立了预估统计模型。因此路 面

38、结构内的温度分布情况就能够结合气象资料以及_ 维导热方程来计算，该模型 的计算温度和实测温度间的误差一般在0 3 之间，但是B a r b e r 提出来的公式主 要用于计算路表最高温度，丽不适宜于计算路表最低温度，其计算公式如下： - 一 丁一= 瓦+ 口L + b ( o 5 五+ 3 a 三) ( 1 ，) 式中：丁眦路表最高温度，： 浙江大学硕士学位论文l 绪论 乃日平均气温，； 瓦日最大温差； 三太阳日辐射总量； a 、b _ 一与路面种类相关的常数。 C h r i s t i s o n 和A I 妇n 1 5 3 1 采用传热学基本原理，主要分析了低温环境下路面 结构的温度场分

39、布，利用有限差分法来计算路面结构中的温度分布。 景天然，严作人【5 4 1 等则主要研究了水泥混凝土路面的最高温度及最大温度梯 度，并根据当地多年检测的气象资料提出了确定路面温度梯度的方法，此方法不 仅适用于“白色路面，同样适用于“黑色路面。 陈廷国，王宪年1 5 5 l 首先对影响水泥混凝土路面温度场的主要环境因素做了分 析，然后提出了以气候学和传热学基本理论为基础、数学模型简单、符合实际的 水泥混凝土路面温度场计算模式，编制了计算程序。 严作人【蚓对层状路面体在周期热力作用下传热问题进行了分析，利用传热学 原理，推导出了在气候条件下路面温度场的解析解，为路面温度计算特别是不用 基层队路面温

40、度的影响提供了理论依据。 吴赣昌【5 7 1 基于大量的实测资料进行了理论分析，并提出了当路表发生变温 时，变温温度沿路面结构深度变化的指数衰减函数，该公式简洁，参数易于确定。 该公式显示了路表发生变温时，变温沿不同深度方向的衰减规律 A T ( y ) = P 唧( t ( y 一吩) ) ，江1 4 1 ( 1 4 ) 式中，只为路面结构第f 层表面的变温，h i 为第i 层表面的y 坐标值，岛为控制温 差随深度变化速度的因子，一般取岛= 5 ，其它包= 包- 1 。且有 只l = P , e x p ( - b , g , ) ( 1 5 ) 式中，& 为第i 层的厚度。 郑建龙，周志刚

41、1 5 s l 通过室内试验测得了沥青混合料热粘弹性本构模型的参 数，并利用三维空间热粘弹性理论得到了沥青路面温度应力的计算公式，并计算 了沥青路面低温状态下的温度应力：分析认为降温速率对沥青路面的温度应力有 1 6 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 一定的显著影响，虽然沥青路面初始温度对路面温度应力有一定的影响，但是影 响很小可以忽略。 长安大学博士李海滨翻计算了半刚性基层沥青路面在温度与荷载耦合作用 下的基层结构的疲劳寿命分析，并提出了当基层模量为觏黼扣1 5 0 0 a 时是 提高基层抗裂性，保证基层疲劳寿命的最佳模量范围。 长沙理工大学的张一凡【6 1 计算分析了半刚性基层沥青路面在温度

42、与荷载共 同作用下的路面应力应变分析，分析得出在温度与荷载共同作用下，应变随时间 的滞后性加强，且多于午后时段发生，与实测情况相符。 1 4 本文主要研究内容 综上所述，基于半刚性基层考虑基面层之间的粘结本构关系，本文拟采用有 限元软件A B A Q U S 来模拟分析沥青路面结构在外界周期性温度变化下的温度场 及温度应力分布，考虑大气温度、风速、日最高气温及最低气温、面层及基层的 传热系数、接触热阻等的影响。其具体内容如下： ( 1 ) 采用内聚力模型来模拟基面层之问的本构关系，并查阅相关文献及规 范来确定基面层之间的粘结参数： ( 2 ) 在进行沥青路面温度场分析时，查阅相关文献及规范，首

43、先确定基 面层问的接触热阻系数；确定沥青路面的边界形式；考虑降温速率、路面初始温 度、日最低、最高温度及路面材料热物参数对沥青路面温度场的日演化规律的影 响，分析路面结构层在周期性变温条件下的温度分布规律；考虑路面结构温度分 布随路面面层、基层厚度的变化而变化的规律。 ( 3 ) 在温度场分析的基础上，利用有限元软件A B A Q U S 来模拟沥青路面结 构的温度应力分析，并考虑面层、基层厚度的变化及面层有裂缝、基层有裂缝 对沥膏路面中的温度应力变化规律。 ( 4 ) 分析各种因素对沥青路面温度应力的影响，并确定对沥青路面温度应 力影响敏感的因素。 浙江大学硕士学位论文2 内聚力模型本构关系

44、及其参数确定 2 内聚力模型本构关系及其参数确定 2 1 引言 随着经济的飞速发展，我国公路里程建设越来越多，针对我国的特殊国情， 半刚性基层沥青路面的使用的也越来越多，但是其问题也慢慢呈现出来，其中层 间接触数值模拟和实验研究就是其中一个问题，也是世界各国学者所关注和研究 的重点。 两个表面分开的距离成为间隙( c l e a r a n c e ) 1 5 9 1 。当两个表面之间的间隙为零 时，在A B A Q U S 便施加了接触约束。在A B A Q U S S t a n d a r d 中可以通过通用接触 临舱憎I 洲a d ) 、接触对( c o n t a c t p a i

45、 r ) 或者基于鲎触单元( c o n t a c t e l e m e n t ) 来模 拟接触问题。但是每种方法都有其优势和缺陷。 在定义接触属性( c o n t a c tp r o p e r t y ) 时要定义两个部分：接触面间的法向作 用与切向作用。在A B A Q U S 中将法向作用即接触压力与间隙的关系定义为“硬 接触“ ( h a r d c o n t a c t ) ，其含义为：接触面间可以传递任意大小的接触压力；若 接触压力是零或者负值时，两个接触面将分离，并且能自动去掉对应节点上的接 触约束。另外，A B A Q U S 还提供了多种“软接触“ ( s o

46、f t e n e dc o n t a c t ) ，包括指 数模型、表格模型、线性模型等。 A B A Q U S 中切向作用通常利用库伦摩擦模型表示，即利用摩擦系数表示接 触面间的摩擦特性。系统默认无摩擦，即摩擦系数是零。库伦摩擦的计算公式： = p x p ( 2 1 ) 其中，是临界切应力，是接触面问的摩擦系数，P 是法向接触压强( 即 C P R E S S ) 。在切应力达到临界应力之前，摩擦面之间不会发生相对滑动。 2 2 内聚力模萋 在断裂力学中，裂纹体受荷载作用，裂纹变形和所受外方的形式可分为三种 类型，如图2 1 所示。其中l 型为张开型，型为撕开型( 平面内) ，型为撕

47、开 型( 面外剪切型) 。在三种不同类型的受载形式中，以I 型最危险，促进脆性断裂 的倾向最大。 l R 浙汀大学硕? i ：学位论文2 内聚力模型本佝关系及其参数确定 -， 、 、 图2 1 裂纹体受载和交形类型 内聚J 7 ( C o h e s i v eT r a c t i o n ) 实质上是材料中分子原子之间的相互作用力1 8 1 - 8 2 l ， 内聚力模型( 简称C Z M ，c o h e s i v e 豫m o d e l ) 最早是由D u g d a l e 提出来的1 6 0 l ， 是基于弹塑性断裂力学，考察裂纹尖端的塑性区，提出在裂纹尖端存在一个微小 的内聚

48、力区l 。在这个假想的内聚力区域中，假想地把物体的断裂放入了一个很 小的区域，这个区域有两个假想面组成，在这个假想区域以外的地方物质是没有 损坏的，这个假想区域内，在断裂过程区会产生微裂纹、集料互锁、粗糙表面的 接触和摩擦等非线性现象I6 2 1 。图2 1 显示了在开裂模式( I 型) 中的内聚力模型示意 图【6 3 1 ，其中f 。和万分别代表张开应力和张开位移变化。由图2 2 1 6 2 l 可知假想的裂 纹尖端的拉应力为零，但此时裂纹尖端的内聚力为最大，内聚力模型提供了模拟 界面处的张开应力与张开位移的非线性本构关系，内聚力模型已被许多学者用于 研究像金属、混凝土等物质的断裂问题。H i l l e r b o r g l 6 4 】后来提出了虚拟裂纹模型 ( F i c t i t i o u sC r a c kM o d e l F C M ) 的概念，其实质就是内聚力模型。我国周储伟1 6 5 J 等 基于内聚力模型无厚的界面单元来模拟复合材料的界面损伤问题。本文我们使用 内聚力模型来模拟沥青路面基面层之间的开裂损伤行为。 卜J 二- 、， 警羲 L 、! ，7 文：。 f ，- 】_ 丫卢l I ：j ”= 。瀑- l - 譬“。 图2 2 内聚力模型示意图 1 9 滞简 ， 浙江大学硕士学位论文 2 内聚力模型本构关系及