（道路与铁道工程专业论文）刚性基层沥青路面层间粘结技术研究.pdf

1 1 11 1i iii iii ir l li i1 11 y 19 0 2 2 6 9 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 繇社鬣 日期：叽，年月c 歹日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名孛k 蚺 指导教师签名己咤沈 日期：加年句月c 夕日日期：加1 、年g 月r 多日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社删 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 虢壮。韵 日期：扫1 年年月侈日 指导教师签名：以枷乏 日期：k 1 年年月 多日 摘要 国外的长寿命路面大多为全厚式沥青路面，造价较高；相比之下，刚性基层 长寿命沥青路面更加符合中国国情。但是刚性基层长寿命沥青路面可能出现层间 滑移或反射裂缝等现象。以渝湘高速公路洪酉段试验路为依托，在保证其路面结 构方面优势的同时，提高刚柔界面层性能；并通过实体工程的现场铺筑，对橡胶 沥青应力吸收层( s 触) 以及层间界面处理的施工工艺进行研究。 利用有限元分析软件，计算了刚性基层长寿命沥青路面刚柔界面最大剪应力 点的具体位置，同时分析了对各因素对刚柔界面层间水平剪应力的影响，得到了 相关路面结构层厚度及模量的取值范围。 在分析了反射裂缝产生和扩展机理的基础上，建立三维有限元模型，分析了 各种因素对沥青层底拉应力和竖向剪应力的影响，得到了相关路面结构层厚度与 模量的取值范围，并对各结构层材料进行了配合比设计。 结合渝湘高速公路洪酉段试验路，对对橡胶沥青应力吸收层( s a ) 以及 层间界面处理的施工工艺进行研究，总结出刚性基层长寿命沥青路面施工过程中 的施工控制要素。对刚性基层长寿命沥青路面进行全寿命周期内的经济效益分 析，得出刚性基层长寿命沥青路面相比半刚性基层沥青路面在全寿命周期内更加 经济。 关键词：刚性基层；长寿命；层间粘结；剪应力；应力吸收层；反射裂缝；拉应 力 a b s t r a c t l o n g - l i f ep a v e m e n ta b r o a da l em o s t l yf u l ld e p t ha s p h a l tp a v e m e n ta n dh i g hc o s t ； c o n t r a s t , 1 0 n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n tr i g i db a s ea r em o l e i nl i n e 晰t l lc h i n a sn a t i o n a l c o n d i t i o n s n o w e v e l ，l o n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n tr i g i ab a s el a y e rm a ya p p e a rs l i p p i n g o rr e f l e c t i v ec r a c k i n ga n ds o0 1 1 w i t hh o n gy o uu n i t a r yt e s tr o a ds e c t i o no fy u x i a n g f r e e w a y 舔t h eb a s i s ，t oe n s u r et h ea d v a n t a g e so fp a v e m e n ts t r u c t u r e ，e n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r f a c el a y e rr i g i c t f l e x i b l e ；a n dt h r o u g hp h y s i c a lw o r k so n - s i t e p a v i n g , r e s e a r c ha s p h a l tr u b b e rs t r e s sa b s o r b i n gl a y e r ( s a m oa n dt h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo fo fl a y e ri n t e r f a c et r e a t m e n t b yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o t t w a r e ，c a l c u l a t et h es p e c i f i cl o c a t i o no fm a x i m u m s h e a rs t r e s sp o i n to fr i g i dl o n g - l i f ea s p h a l tp a v e m e n tr i g i di n t e r f a c e ，a n da n a l y z e st h e v a r i o u sf a c t o r s0 1 1t h er i g i d - f l e x i b l ei n t e r f a c el a y e rb e t w e e nt h el e v e lo fs h e a rs t r e s s ， r e c e i v e dt h er a n g eo ft h et h i c k n e s sa n dm o d u l u so fp a v e m e n ts t r u c t u r e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e r e f l e c t i o nc r a c k sa n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s m , c o n s t r u c tat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，a n a l y s i sv a r i o u sf a c t o r so nt h ea s p h a l tl a y e r b o t t o ms t r e s sa n dv e r t i c a ls h e a rs t r e s s ，o b t a i nr a n g eo fp a v e m e n tl a y e rt h i c k n e s sa n d m o d u l u s ，a n dd e s i g no ft h em i xr a t i oo f e a c hl a y e rm a t e r i a l s c o m b i n i n g 、析廿1h o n g y o u t e s tr o a do fy u x i a n gh i g h w a y , s t u d y i n gt h er u b b e r i z e d a s p h a l tr u b b e rs t r e s sa b s o r b i n gl a y e r ( s a m i ) a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fl a y e r i n t e r f a c et r e a t m e n t s u m m e du pt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sc o n t r o le l e m e n t so fr i g i a l o n g - l i f ea s p h a l tp a v e m e n t a n a l y s i st h ec o s tb e n e f i to f t h er i g i db a s ef o rl o n g - l i f e a s p h a l tp a v e m e n tw i t h i nt h el i f ec y c l e ，o b t a i nt h a tw i t h i nt h ew h o l el i f ec y c l e ，t h e r i g i dl o n g - l i f ea s p h a l tp a v e m e n ti s m o r ee c o n o m i c a lt h a ne m i - r i g i d a s p h a l t p a v e m e n t k e yw o r d s ：r i g i db a s e ；l o n g - l i f e ；l a y e rb o n d i n g ；s h e a rs t r e s s ；s a m i ；r e f l e c t i v e c r a c k i n g ；t e n s i l es t r e s s 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义。l 1 2 国内外研究概况。1 1 2 1 长寿命沥青路面2 1 2 2 刚性基层长寿命沥青路面3 1 3 主要研究内容及其技术路线4 第二章刚柔界面防层间滑移措施及其有限元模拟分析6 2 1a b a q u s 有限元分析方法6 2 1 1 有限元理论简介6 2 1 2a b a q u s 简介8 2 2 有限元模型的建立9 2 2 1 基本假定及模型建立9 2 2 2 荷载及模型参数1o 2 2 3 边界条件与网格划分1 1 2 2 4 最大剪应力点位的确定1 2 2 3 有限元计算结果与分析1 3 2 3 1 沥青层厚度与模量对刚柔界面层间剪应力的影响1 4 2 3 2 车辆轴载对刚柔界面层问剪应力的影响一1 6 2 3 3 车辆行驶状态对刚柔界面层间剪应力的影响17 2 3 4 刚柔界面状态对刚柔界面层间剪应力的影响1 7 2 4 小结1 9 第三章刚柔界面防反射裂缝措施及其有限元模拟分析2 1 3 1 反射裂缝的理论2 l 3 1 1 反射裂缝产生和扩展机理2 l 3 1 2 反射裂缝的产生和扩展机理2 3 3 1 3 疲劳断裂力学。2 5 3 2 模型的建立2 5 3 2 1 有限元模型的建立。2 5 3 2 2 荷载及模型参数2 7 3 2 3 网格划分2 7 3 3 有限元的计算结果与分析2 8 3 3 1 各种防裂层对沥青层层底应力的影响2 8 3 3 2 水泥混凝土接缝宽度对沥青层层底应力的影响2 9 3 3 3 沥青层厚度与模量对沥青层层底应力的影响2 9 3 3 4 应力吸收层厚度与模量对沥青层层底应力的影响3 0 3 3 5 水泥混凝土基层厚度与模量对沥青层层底应力的影响3 1 3 3 6 基础模量对沥青层层底应力的影响3 2 3 4 小结3 3 第四章刚性基层长寿命沥青路面结构功能及设计研究3 5 4 1 长寿命路面结构的设计要求3 5 4 2 刚性基层长寿命沥青路面结构3 5 4 2 1 长寿命路面结构设计3 5 4 2 2 结构特点。3 6 4 3 长寿命路面材料3 7 4 3 1 水泥混凝土配合比设计3 7 4 3 2 橡胶沥青混凝土a r - a c 1 3 配合比设计。3 9 4 3 3 沥青混凝土a c 2 0 配合比设计4 6 4 3 4 橡胶沥青应力吸收层合比设计5 l 4 4 小结5 2 第五章依托工程的应用与实旋5 3 5 1 依托工程概况5 3 5 1 1 依托工程简介。5 3 5 1 2 试验路设方案设计5 3 5 2 刚性基层长寿命沥青路面施工工艺5 5 5 2 1 试验路刚性基层施工工艺5 5 5 2 2 聚酯玻纤布的铺设5 5 5 2 3 应力吸收层施工工艺5 6 5 3 层间处治关键技术6 0 5 3 1 刚性基层表面粗糙度控制技术6 0 5 3 2 异布与同步碎石应力吸收层控制技术6 2 5 4d 、结6 3 第六章全寿命周期内的经济效益分析6 5 6 1 寿命周期费用分析与方法6 5 6 1 1 寿命周期费用分析的概念6 5 6 1 2 理论体系的产生和发展6 5 6 1 3 寿命周期费用分析的必要性。6 7 6 1 4 分析方法。6 7 6 2 刚性基层长寿命沥青路面寿命周期费用分析6 9 6 2 1 工程量、分析周期、折现率及残值6 9 6 2 2 分析方案及新建费用6 9 6 2 - 3 各方案路面维修养护时间和工程量一7 0 6 2 4 直接费用分析7 l 6 2 4 间接费用分析7 2 6 3 小结7 2 第七章结论与展望7 4 7 1 主要结论与创新点7 4 7 2 进一步研究展望7 5 致谢7 7 参考文献7 8 在学期间发表的论著及取得的科研成果8 1 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展，城市化进程的快速推进，基础设施的建设进一步 完备，高速公路的建设得到了蓬勃发展，截至2 0 1 0 年底，我国高速公路通车里程 已经超过了6 万公里。高速公路里程的不断增长和路网的不断完善，促进了经济 的腾飞。然而，我国高速公路自建设以来，就面临着实际使用寿命难以达到设计 寿命的难题。目前，我国高速公路的设计年限一般为2 0 - - 一3 0 年，但是由于公路交 通量以及汽车荷载的不断增加，实际使用寿命通常为8 1 0 年，有的高速公路甚 至只营运了2 3 年就开始出现较严重的病害u 1 。 图1 1 路面病害 f i g 1 id i s e a s e so f p a v e m e n t 公路的维修必然造成用户的出行不便、延长用户的驾车时间、增加燃油消耗 及大量的维修费用和用户费用的浪费等问题，同时对社会也带来了巨大的经济 损失，从寿命周期费用分析的角度来看，这无疑是不经济的。如何延长公路的使 用年限，已成为目前我国公路建设者最为关心的问题之一。因此，长寿命路面应 运而生。该路面结构可能初期的投资较大，但由于整个使用寿命期内不需要进行 结构性的维修，养护维修费用很低，行车延误也大大减少，从整个使用周期来 看，可以说是较为经济的。 1 2 国内外研究概况 经济的繁荣带动了交通的迅猛发展，公路上的交通量以及汽车荷载的持续增 加，按现行路面设计体系和设计标准设计的路面常常达不到设计年限就出现了损 坏，特别是基层破坏尤为严重，常常需要大修。而路面大修必然造成交通的拥挤 2 第一章绪论 或堵塞，延长用户的通行时间，增加油耗，导致整个社会成本增加。因此，目前 的路面结构特别是半刚性沥青路面结构在整个寿命周期成本内是相对不经济的。 可见，如何提高路面的使用寿命，降低路面全寿命周期成本成为当务之急。 1 2 1 长寿命沥青路面 长寿命沥青路面或永久性沥青路面，尽管名称不一样，其实内涵基本相同。 欧洲习惯于称为长寿命沥青路面( l o n g - l i f ea s p h a l tp a v e m e n t s ) ，美国称之为永久 性路面( p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ) 。2 0 世纪末以来，长寿命路面成为世界各国 沥青路面研究的热门内容，有可能成为世界各国未来主要路面结构，特别是用于 高速公路、重载交通道路中。美国、欧洲、加拿大、澳大利亚及南非等都在进行 相关研究，并且在材料选择、混合料设计、性能测试和路面结构设计等方面所做 出的努力，可以使道路管理部门通过周期性地更换沥青面层来获得沥青路面结构 长久的服务性能( 超过4 0 年) ，这就是长寿命路面的概念心儿射。 长寿命沥青路面并不是一个新的概念。早在2 0 世纪6 0 年代，北美地区已经开 始修建全厚式和加厚式沥青路面结构。全厚式路面是一种直接修筑在土基上的沥 青路面结构，加厚式路面是在土基与路面间加入一个相对较薄的粒料基层。这类 路面的主要优点是总厚度比设置常规基层的沥青路面结构薄，可以减少疲劳裂缝 的产生，并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的上部。这样，当路表面的破 坏达到某一临界水平时而只需更新表面层，不需要改变路面标高，因此这是一种 经济的路面维修方式。但是其沥青层总厚度较厚，造价较高。 普通的沥青路面设计寿命为1 5 年，适度增加路面强度及沥青混合料基层厚度 的长寿命路面，无疑可以获得4 0 年甚至更多的使用寿命h 1 。现在欧洲正在使用的 长寿命路面已经充分证明其是经济效益良好、使用寿命较长的高性能路面。德国 于1 9 7 7 年在a 5 公路上采用的结构是3 7 r a m 浇注沥青混凝土面层+ 2 0 0 r a m 沥青混凝土 基层+ 1 5 0 m m 稳定底基层，该高速公路双向日交通量1 5 2 0 0 0 辆日，重载货车比例 为1 0 - - - 2 0 ，使用1 7 年后的标准轴载次数为1 2 5 0 x 1 0 6 次，使用状况良好；德国 的汉堡高速公路承受着非常大的交通量，该路面结构为3 5 m m 浇注沥青混凝土面层 + 2 6 5 m m 沥青混凝土基层+ 1 5 0 m m 级配砂砾，结果表明该路使用状况良好；法国巴黎 的附近的一条高速公路双向交通量为2 0 0 0 0 辆日，重载货车占1 0 ，年标准轴 载1 0 0 0 万次，结构为4 0 m m 排水面层+ 2 2 0 m n 高模量沥青混凝土基层。 可以看出，国外的长寿命沥青路面的设计理念就是采用较厚沥青层的柔性路 面，减少沥青层底开裂和避免结构性车辙。从结构方面来讲，实际上是全厚式沥 青路面、高强度厚沥青路面良好使用性能的延伸。该种路面结构的性能目标是确 保路面各类损坏控制在路面表层顶部很薄的范围内，使得维修成本极大降低，或 使得未来路面加铺时加铺层厚度最小。 第一章绪论 3 显然，国外沥青路面的长寿命都是建立在足够厚的沥青层上，即使是轻交通 路面，其厚度也不小于2 0 0 姗，而重交通时则在3 0 0 r a m 以上。如此厚的沥青层，造 价极高，在公路建设高速发展的中国是否能承受呢? 中国本身是一个能源进口大 国，随着新建公路的大面积上马以及大修改建工程的日益增多，石油价格的持续 攀升，导致燃油、石油沥青价格的大幅上涨，给公路建设带来巨大的压力，因此 修建类似与国外设计理念的长寿命沥青路面将会遇到严重的挑战。 1 2 2 刚性基层长寿命沥青路面 目前，国内路面结构主要有沥青路面和水泥混凝土路面两种形式。高等级公 路以及城市道路以沥青路面为主，约占九成，而低等级公路以水泥路面为主。沥 青具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、施工期短、养护 维修简便、适宜分期修建等优点，但是沥青路面存在寿命短的缺点，设计寿命只 有1 5 年，特别是重载交通持续增长，轮胎压力不断增大，沥青路面相继出现车 辙、开裂等病害啼1 ，道路寿命大大缩短。另外，沥青路面属于柔性路面，面层抗 拉强度较低，其整体强度和稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性，因而 要求基层和土基必须具有足够的强度和良好的稳定性。 水泥混凝土通常是以面层的形式出现在路面结构中，它能承受行车荷载的作 用和环境因素的影响，具备优良的弯拉强度、疲劳强度、抗压强度和耐久性。尽 管水泥混凝土路面是一种高等级路面，但将其作为面层，仍然存在一些明显的缺 点，如路面存在较多的纵横缝，行车舒适性差；养护不及时，水分容易渗入，损 坏基层和路基：路面损坏后修复难度大，等等。 但如果将水泥板作为沥青路面的基层，形成复合式路面结构，通过适当的技 术措施消除其接缝对面层的反射应力，将具有很大的结构优势。研究表明，采用 水泥混凝土作基层的沥青路面，由于水泥混凝土板体强度高，提高了整个沥青路 面结构的整体性，路面将更能承受重载交通的作用；同时可以显著改善平整度， 有利于提高行车速度、舒适性和安全性；更重要的是由于处于基层，温度梯度较 小，水泥混凝土板温度应力将远小于其面层，温度翘曲应力将将大幅减小。另外， 水泥混凝土板优异的抗疲劳性能将更适合作为长寿命沥青路面的刚性基层。刚性 基层长寿命路面结构模型见图1 2 。 4 第一章绪论 图1 2 长寿命路面结构模型 f i g 1 2m o d e lo fl o n g l i f ep a v e m e n t 因此，课题组结合沥青路面和水泥混凝土路面的优缺点，基于优势互补的原 则提出了基于水泥混凝土刚性基层的长寿命沥青路面，其设计理念是按功能合理 设置路面结构层：要求路面结构层的上面层具有足够的抗滑能力和较强的抗车辙 能力、抗低温变形能力和抗磨耗能力；中间层具有良好的不透水性及良好的高、 低温稳定性；水泥混凝土刚性基层具有良好的抗疲劳能力和耐久性。刚性基层长 寿命沥青路面的含义是指在影响路面结构长寿命的内外因素作用下，沥青路面在 设计使用期内，无需花费大量的资金维修和养护就能满足道路使用功能。长寿命 路面的长寿命包括材料和结构两个方面。材料长寿命是指在正常施工、使用和养 护条件下路面材料在设计使用期内具有高温抗车辙，低温抗开裂，抗水损害能力 强及抵抗设计预知交通荷载破坏的能力。结构长寿命则是整个路面结构在行车荷 载和环境因素作用下不产生结构性破坏或满足使用功能要求。长寿命沥青路面的 使用寿命可根据要求进行设计，如3 0 年、5 0 年，甚至更长。长寿命沥青路面的 损坏仅限于路面顶部2 5 8 0 m 范围内，只要定期对路面表面进行铣刨、罩面修 复就可保证其正常的使用功能。这种路面结构尽管初期建设费用较高，但由于日 常养护费用低，同时不需要进行结构性大修，全寿命周期成本大大降低。 同时，由于基面层之间模量差距较大以及刚性基层的自身存在的横向及纵向 缩缝，不采取措施将出现层间滑移和反射裂缝等病害。因此刚性基层长寿命沥青 路面结构，其核心技术是：采取措施加强基面层之间的粘结强度，防止层间滑 移的产生；采取措施减小沥青层底的应力集中，防止和延缓反射裂缝的产生。 1 3 主要研究内容及其技术路线 通过对现有沥青路面病害的调查及其形成机理的分析，找出影响沥青路面 结构寿命的主要因素，提出采用适宜的刚性基层长寿命沥青路面结构； 对刚性基层长寿命沥青路面刚柔界面层间水平剪应力及不同接触状态下 第一章绪论 5 的受力情况进行力学分析，找出路面最大剪应力点位以及路面结构参数对层间最 大剪应力的影响规律； 对刚性基层长寿命沥青路面沥青层层底拉应力及不同防裂夹层、不同接缝 宽度下的受力情况进行力学计算，研究了沥青路面反射裂缝的产生和扩展机理以 及路面结构参数对层底最大拉应力的影响规律； 刚性基层长寿命沥青路面结构功能及设计研究，对路面结构层进行功能及 配合比设计； 结合实体工程的铺筑以及现场试验，对刚性基层长寿命沥青路面关键技术 进行深入系统研究； 通过试验路研究，进行刚性基层长寿命沥青路面全寿命经济效益分析。 6 第二章刚柔界面防层间滑移措施及其有限元模拟分析 第二章刚柔界面防层间滑移措施及其有限元模拟分析 对于刚性基层长寿命沥青路面结构而言，层间特别是刚柔界面层之间粘结问 题的处理非常重要，是本课题研究的关键技术之一。从刚性基层长寿命沥青路面 结构的本质出发，不难发现有以下特点：刚性基层长寿命沥青路面结构基面层 材料弹性模量相差较大；长寿命路面的损坏形式如：推移、剥离的形成原因都 是界面层的剪切破坏和粘结破坏。 为真实反映刚性基层长寿命沥青路面层间的工作状态，根据路面结构等效换 算理论将沥青路面简化为多层弹性层状体系 6 1 ，建立考虑应力吸收层的力学计算 模型，对刚柔界面层之间的水平剪应力进行系统的计算，重点考虑车辆轴载、车 辆行驶状态、刚柔界面状态和路面结构参数对层间水平剪应力的影响，找出路面 层间水平剪应力变化的一般规律，简化模型后进一步计算出沥青路面层间不同接 触状态下的剪应力情况为沥青路面功能层的设计、施工提供理论支撑和设计依 据。 2 1a b a q u s 有限元分析方法 2 1 1 有限元理论简介 有限元方法是近几十年来随电子计算机的广泛应用而发展起来的建立在待 定常函数离散化基础上的一种数值方法【7 1 。由于它所具有的强大的通用性和灵活 性，已经成为了工程问题中数值分析的有力工具。特别是在工程结构分析的领域 内，有限元方法取得了重大的进展，利用此法工程界已成功地解决了一大批有重 大意义的问题，很多通用程序和专用程序投入到实际的应用中。 将固体、液体、气体等连续体作为有限的几个小要素的集合体使其模型化， 通过解各要素的方程式从数值上解析连续体整体的应力及应变分布的方法叫做 有限元方法或有限要素( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 简称f e m ) 。有限元方法的基本 思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在一起的单 元的组合体。由于单元能按不同的联接方式进行组合，且单元本身又可以有不同 形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的另 一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片表示全求解域上待 求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数的各个节点上的 数值和其插值函数来表达。因此，在一个问题的有限元分析中，未知场函数及其 导数在各个节点过得数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题 第二章刚柔界面防层间滑移措施及其有限元模拟分析 7 变成离散的有限自由度问题。经过求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算 出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元 数的增加，也即随着单元尺寸的缩小，或随着单元自由度的增加及插值函数精度 的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将 收敛于精确解。 一般情况下有限元方法的分析过程，概括起来可按以下六个步骤进行： 结构的离散化 将要分析的结构物分割成有限元单元体，并在单元体内的指定点设置节点， 使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替 原来的结构。 选择位移模式 为了用节点唯一表示单元体的位移、应力和应变，在分析连续问题时，需对 单元中位移的分布做出一定的假设，假定位移是坐标的某种简单函数，即位移模 式或插值函数。根据选定的位移模式，可以导出节点位移表示的单元内任意一点 位移的关系式，其矩阵形式是： 万) = 【n 】 瓯) ( 2 1 ) 式中： 万 一单元内任意一点的位移矩阵； n 1 一形函数矩阵： 4 一单元的节点位移列阵。 分析单元的力学特性 利用几何方程，由位移表达式( 2 1 ) 导出节点位移表示单元应变的关系式： s ) = 【b 】 瓯 ( 2 2 ) 式中： 占 一单元内任意一点的应变列阵； b 1 一单元应变矩阵。 利用本构方程，由应变的表达式( 2 2 ) 导出节点表示单元应力的关系式： 仃 = 【d 】 s ) = 【d 】【b 】 瓯 ( 2 3 ) 式中： 一一单元内任意一点的应力列阵； f d l 一与单元材料相关的弹性矩阵。 利用变分原理，建立单元的平衡方程。 建立结构总体平衡方程 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。 求解未知节点位移 由第4 步得到的平衡方程求解出未知位移。 计算应力并整理结果 8 第二章刚柔界面防层问滑移措施及其有限元模拟分析 利用公式( 2 _ 3 ) 和已求出的节点位移计算个单元的应力，并加以整理得出 要求的结果。 现在有限元方法计算工程问题，已经有许多大型结构通用程序，如 a b a q u s 、a n s y s 、s a p 、n a s t e a n 、a d i n a 等。本课题中采用a b a q u s 通 用有限元软件进行计算。下面对本文所用的软件及建模过程进行简要的介绍。 2 1 2a b a q u s 简介 a b a q u s 是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，是美国 n k s ( n i b b i t t ，k a r l s s o n & s o r e n s e n ，i n c ) 公司的产品阳m 1 。特别是它的非线性力 学( 几何、材料、接触) 分析功能具有世界领先水平，受到世界上许多著名公司、 大学和研究部门的青睐，在北美、欧洲和亚洲许多国家的机械、化工、土木、水 利、材料、航空、船舶、冶金、汽车和电气工业设计中得到广泛的应用。它可以 进行结构的静态和动态分析，如应力、变形、振动、冲击、热传导和对流、质量 扩散、声波、力电祸合分析等：它具有丰富的单元模式，如杆、梁、刚架、板壳、 实体、无限体元等：可以模拟广泛的材料性能，如金属、橡胶、塑料、钢筋混凝 土、弹性泡沫、岩石和土壤等。a b a q u s 最引人注意的是它包含了丰富的材料 本构以及接口程序l b l a t 和u e l ，为研究者提供了广阔的二次开发平台。现在h k s 公司在中国己经有2 0 多个商业用户，有近5 0 所大学采用a 队q u s 作为教学和科 研工具。 a b a q u s 由两个分析模块组成，a b a q u s s t a n d 和a b a q u s e x p l i c i t ， a b a q u s a q u a 和a b a q u s a j s a 是与a b a q u s s t a n d a r d 组合的具有特殊用途 的两个分析模块。a b a q u s 也包含两个交互作用的图形模块a b a q u s p r c 和 a b a q u s p o s t ，他们提供了a b a q u s 图形界面的交互作用工具。 在a b a q u s 中，一个完整的任务分析所包括的前处理建模、分析计算和可 视化后处理，均可通过a b a q u s 的图形界面处理器( a b a q u s c a e ) 来完成。 a b a q u s p r e ( 前处理) 包括p a r t 、p r o p e r t y 、a s s e m b l y 、s t e p 、i n t e r a 戍i o n 、 m e s h 七个模块，负责建模、设定材料属性、在坐标系中装配构件、定义分析步 的增量和输出变量、定义接触、施加荷载和约束以及网格划分。 a b a q u s j o b 模块为计算模块，负责提交分析任务和监控分析过程。 a b a q u s 分析计算包括s t a n d a r d 和e x p l i c i t 两个模块。a b a q u s s t a n d a r d 是一 个通用分析模块，在数值方法上采用有限元方法常用的隐式积分，能够求解广泛 的线性和非线性问题，包括结构的静态度、动态问题、热力学场和电磁场问题等。 a b a q u s e x p l i c i t 是一个在数值方法上采用有限元显式积分的特殊模块，利用对 时间的显示积分求解动态有限元方程，适合于分析诸如冲击、爆炸这样的短暂瞬 时动态问题，同时对高度非线性问题，如模拟加工成型过程中接触条件的改变也 第二章刚柔界面防层间滑移措施及其有限元模拟分析 9 非常有效。 a b a q u s p o s t ( 后处理) 包括v i s u a l i z a t i o n 和s k e t c h 两个模块，负责计算结果 的图形和数据输出。 a b a q u s 是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相 对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。a b a q u s 包括一个丰富的、可模 拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材 料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩 超弹性泡沫材料以及土壤和岩石地质材料，能够满足路面在各种环境下力学性能 仿真分析的需要，因此为本课题所采用。 2 2 有限元模型的建立 2 2 1 基本假定及模型建立 以渝湘高速公路洪酉段长寿命路面试验段为例建立有限元模型，重点分析和 计算沥青面层( 或应力吸收层) 与水泥混凝土刚性基层之间的层间水平剪应力大 小。在不影响研究的基础上，将上面层和中面层沥青层统称沥青面层，便于建模 计算。采用a b a q u s 有限元软件进行分析，根据已有的研究n 町，视路面结构为弹 性层状体系，由沥青面层、应力吸收层、水泥混凝土基层和基础组成。沥青面层 采用8 节点实体单元，水泥混凝土基层和基础采用8 节点实体单元，应力吸收层 采用4 节点薄膜单元。为了反映半无限大空间基础的特性，基础采用扩大尺寸来 模拟，模型及坐标系如图2 1 。 在进行有限元模拟计算时，对模型的结构特性和材料特性作如下基本假设： 沥青面层和水泥混凝土刚性基层是均匀的，各向同性的完全弹性材料； 为分析方便，计算中不计沥青混凝土的非线性，假设各层材料具有线弹性 性质，材料参数用e ，u 表示； 由于沥青面层的保护作用，水泥混凝土板的温度相对稳定，计算时不考虑 温度应力对层间剪应力的影响； 路面结构各层四周水平位移为0 ，基础底面各向位移为0 ； 不计结构自重。 l o 第二章刚柔界面防层间滑移措施及其有限元模拟分析 图2 1 计算模型示意图( 单位伽) f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a l c u l a t i o nm o d e l ( u n i t c m ) 2 2 2 荷载及模型参数 根据相关规范叭儿，力学计算采用标准轴载b z z - 1 0 0 ，如表2 1 所示。一般 情况下，接触面力分布是不均匀的，孙立军教授在认为轮胎压力分布状态分为三 类：均匀分布、凸型分布、凹型分布n 引。在此，为分析出沥青路面层间水平剪应 力的变化规律，假定接触面上的压力是均匀分布的。计算中采用的车辆荷载基本 参数见表2 1 。 表2 1 力学计算用基本参数 t a b 2 1b a s i cp a r a m e t e r so f t h em e c h a n i c a lc a l c u l a t i o n 标准轴载b z z 一1 0 0 标准轴载p ( k n ) 1 0 0 双圆荷载当量圆半径巾m ) 1 0 6 5 接地压强p ( m p a ) o 7 双圆中心距1 5 d ( e m ) 3 1 9 5 路面在使用过程中，除了受到车轮竖向的作用力之外，还受到车辆正常行驶 以及起动、制动产生的水平力作用。水平力的大小与路面湿度、路表平整度以及 车辆行驶状态有关。本章将考虑路面在车轮竖向荷载和车辆水平力共同作用下的 层间剪应力响应。作用于路面表面的水平荷载以车轮垂直荷载乘以车轮与路面之 间的摩擦系数表示，即tq = f x p ，式中摩擦系数f ，根据已有的研究成果n 钔，f 0 表示车辆正常行驶；f = 0 2 表示缓慢制动：f = 0 5 表示紧急制动；取f = 0 7 5 表示下坡且紧急制动。 参考相关资料5 1 ，水泥混凝土刚性基层模量在2 8 0 0 0 3 2 0 0 0 m p a ，取 e = 3 0 0 0 0 m p a 。由于水泥混凝土板的弹性模量相对沥青面层弹性模量大很多，且一 般变化范围不大，故此次计算中不考虑水泥混凝土板模量变化对刚柔界面受力的 影响。沥青面层材料模量由于受温度变化影响较大，本次考虑沥青层模量变化范 围为：l 0 0 0 m p a 2 0 0 0 m p a ，计算过程中考察面层沥青混合料模量的变化对刚柔界 第二章刚柔界面防层问滑移措施及其有限元模拟分析 l l 面层力的影响。应力吸收层由于所用材料不一样，模量有所差别，计算过程中， 考虑应力吸收层材料模量的变化范围为：4 0 0 - , 1 0 0 0 m p a ，界面层厚度为0 6 2 0 c m 。此外，取水泥混凝土材料泊松比l i 为0 1 5 ，沥青混合料材料泊松比u 为 o 2 5 ，应力吸收层材料泊松比l l 为0 2 o 4 。各计算参数见表2 2 。 表2 2 有限元分析计算基本参数取值表 t a b 2 2t h et a b l eo fb a s i cp a r a m e t e r so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 参数取值厚度( c m )模量( m p a ) 泊松比摩擦系数f 沥青层 4 2 08 0 0 2 0 0 0o 2 5 应力吸收层 0 6 2 04 0 07 0 00 2 o 4 0 0 7 5 水泥混凝土板 2 83 0 0 0 00 1 5 基础 1 0 0 7 0 00 3 5 2 2 3 边界条件与网格划分 按照基本假定，对有限元三维模型进行相应的边界约束，见图2 2 。为满足 计算精度要求，对于关键部位，如受力区域及其附近进行网格细化，如图2 3 。 图2 2 边界条件 f i g 2 2b o u n d a r yc o n d i t i o n s 图2 3 网格划分 f i g 2 3m e s h i n g 1 2 第二章刚柔界面防层问滑移措施及其有限元模拟分析 i 禽 、 厂ii 、x 珞) 蚶 一 lll j j ljli 巡 沥青面层e 1 ，u 1 ，h 1 应力吸收层 e 2 ，u 2 ，h 2 圈! 耋墨画 (泥混凝土板 e 3 ，u 3 ，h 3基础 e 4 ，u 4 ，h 4 图2 4 荷载图示 f i g 2 4l 0 a di c o n 2 2 4 最大剪应力点位的确定 关路面于最大剪应力的点位的确定，由于路面产生最大剪应力的点不会随着 所建立坐标系的不同而发生变化，查阅大量资料后发现：相关文献n 叫中取的是 ( 0 ，0 9 r ) ，而有的研究认为取( o ，0 9 6 7 r ) 更接近实际当层状体系表面作用轴对 称的荷载时，轴对称点的应力、应变和位移分量也对称与对称轴，例如d 1 与d 2 、 e 1 与e 2 分别是轴对称的。本文取a ( o ，o r ) 、b ( 0 ，0 5 r ) 、x ( o ，0 9 r ) 、c ( 0 ，0 9 6 7 r ) 、 d ( o ，1 o r ) 、e ( 0