[碩士]路面結(jié)構(gòu)裂縫問題的理論分析與應用研究

內(nèi)容簡介

　　[碩士]路面結(jié)構(gòu)裂縫問題的理論分析與應用研究　　學科專業(yè): 巖土工程　　授予學位：碩士　　學位授予單位：鄭州大學　　學位年度：2002　　隨著我國公路交通量及汽車軸載的日益增加，傳統(tǒng)的瀝青路面下粒料基層難以適應重交通量和重載的要求，以無機穩(wěn)定類半剛性材料作為基層己在我國公路建設中得到了廣泛應用。這種路面結(jié)構(gòu)雖然具有強度高、造價低、整體性及水穩(wěn)性好等優(yōu)點，但在運營期間易于產(chǎn)生干縮裂縫和低溫收縮裂縫。在交通荷載的重復作用下，半剛性基層中的這種收縮裂縫很容易擴展到瀝青面層而形成反射裂縫。其結(jié)果是破壞了路面的整體性和連續(xù)性，影響了道路的使用品質(zhì);更為嚴重的是，裂縫的存在使得路表雨水有可能通過裂縫滲入土基，從而削弱了路基的強度和穩(wěn)定性，導致路面的早期破壞。路面結(jié)構(gòu)中的裂縫問題己成為道路工程領域的重要研究課題之一。量的理論分析和數(shù)值計算結(jié)果表明難以正確反映裂縫區(qū)域的應力集中，采用傳統(tǒng)連續(xù)力學方法進行處理，導致分析結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。斷裂力學的產(chǎn)生和發(fā)展是二十世紀力學領域中取得的重要成就之一，其研究成果已在許多工程領域得到推廣應用。將斷裂力學理論與有限元方法結(jié)合分析路面開裂問題的有效途徑。對于在行車荷載反復作用下路面裂縫的擴展，如引入斷裂力學相關理論，考慮裂縫尖端應力奇異性，將會更接近于路面材料破壞的真實情況。因此，結(jié)合道路工程實際情況，引入斷裂力學的分析方法，研究路面結(jié)構(gòu)中裂縫的擴展規(guī)律及其相關影響因素將具有非常重要的理論意義和實際應用價值。　　本文基于斷裂力學基本原理，采用奇異等參有限元方法對路面結(jié)構(gòu)中裂縫擴展問題進行了較為系統(tǒng)的研究，主要完成了以下幾個方面的工作。　　 1、對斷裂力學的基本理論及其數(shù)值計算方法進行了較為詳細的討論，包括裂紋尖端應力奇異性、斷裂準則以及裂紋疲勞擴展理論等。　　 2、應力強度因子是描述裂紋尖端附近應力場強弱程度的參量，裂紋是否會發(fā)生失穩(wěn)擴展取決于應力強度因子的大小，計算應力強度因子是斷裂力學的重要研究內(nèi)容。本文在裂紋尖端區(qū)域采用奇異單元力一法進行處理，充分反映裂紋尖端的應力奇異性。在此基礎上，給出了由裂紋尖端附近的位移推求裂尖應力強度因子的計算公式。　　 3、采用奇異等參有限元方法，分別對多層無裂縫體、多層單裂縫體以及多層雙裂縫體進行了分析，并編制了相應的計算程序。經(jīng)考核驗證，其計算精度較高，數(shù)值結(jié)果較好，可用于路面裂縫擴展分析、罩面設計等方面。同時，文中給出了相應的程序算例?！　? 4、利用本文開發(fā)的有限元程序，計算了各種典型問題的路面響應，并對數(shù)值結(jié)果進行了理論分析，確定了其相關因素的影響。具體結(jié)果如下。　　根據(jù)道路工程中車輛荷載作用情況，本文考慮兩種最不利荷載作用位置，即相對于裂縫位置的對稱加載和非對稱加載。在實際工程中，由于作用于路面的荷載為移動荷載，對于路面上的一點都將會經(jīng)歷以上兩種加載過程，我們可以通過分析以上兩種最不利情況來探討裂縫的擴展機理。在計算過程中，本文對兩種加載形式進行了簡化處理，使計算效率得到了提高。

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