（道路与铁道工程专业论文）荷载和温度对沥青路面TopDown开裂影响的有限元分析.pdf

l o a da n d t e m p e r a t u r eo nt h ea s p h a l tp a v e m e n t t o p d o w nc r a c k i n go ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b y f a n z h i y u b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs h a ol a g e n g a p r i l ，2 0 1 1 3垂耋| 8 伽8唧3 删8舢8 川-舢y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：祝移 日期沙f 年月占日 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。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 抛星 叩瞒移 日期： 吖，年j - 月衫日 日期：- 7 , 0 1 1 年y 月以日 摘要 本文针对沥青路面的t o p d o w n 裂缝，结合筑路材料的材料参数和实际观测数据， 对轮胎路面交互作用下的沥青路面结构进行力学分析，研究结构的受力和温度场。揭 示沥青路面t o p d o w n 开裂的原因和影响因素，探讨延缓t o p d o w n 开裂的措施与方法。 首先，根据硬质胎壁轮胎的传力机制和实际的负载和胎压，将轮胎路面的接触应 力简化为二维垂直和横向的接触应力，同时结合筑路材料的阻尼性质，采用有限元软件 a b a q u s ，建立二维有限元模型进行显式动力学分析。计算及分析表明：由于路表的剪 应力导致了t o p d o w n 裂缝的产生；由于慢车速作用下产生的路表剪应力值大于快车速 作用下的值，所以是导致t o p d o w n 裂缝产生的外在因素之一；相同车速下，阻尼比高 的筑路材料产生的路表剪应力小于阻尼比低的筑路材料，是t o p d o w n 裂缝产生的内在 因素之一；并用统计学方法，分析动荷载作用下不同因素对t o p d o w n 开裂影响的显著 性。 在原有的有限元模型上考虑三个不同长度的初始微裂缝，结合实际观测的不同温度 情况的沥青混合料的动态模量，研究动荷载作用下裂缝的发展规律。计算及分析表明： 车速越慢，剪切型强度因子k n 也越大，即较慢的车速会加速t o p d o w n 裂缝的扩展； 同时随着温度的升高，沥青面层材料动态模量的降低，剪切型强度因子k 随之减小； 剪切型强度因子k 随着裂缝长度的增加而增大；从整体上来说，在相同工况下采用半 刚性基层可以降低t o p d o w n 裂缝的剪切型强度因子k i i ，而且在温度较低裂缝较长时 候体现的更加明显；并用广义p a r i s 公式，分析了不同工况下t o p d o w n 裂缝的疲劳寿 命。 最后研究三个不同降温幅度对含裂缝沥青路面结构的温度场和力学的影响，计算及 分析表明：经过反复作用后的存在微裂缝的沥青路面，在急剧降温过程中可能导致面层 产生t o p d o w n 裂缝；在降温过程中，路面结构不同深度处，路表的拉应力和变化幅度 最大，随着深度的增加，拉应力和其变化幅度逐渐减小；初始微裂缝越长，降温过程中 张开型应力强度因子ki 越大，也越容易开裂；随着降温幅度的增加，拉应力和张开型 强度因子ki 迅速增加，t o p d o w n 裂缝的发展速度也越快。 关键词：t o p d o w n 裂缝、动荷载、剪应力、疲劳寿命、温度场、应力强度因子 a b s t r a c t a i m i n ga tt o p d o w nc r a c k i n go ft h ea s p h a l tp a v e m e n ta n dc o m b i n i n g 、析t hm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c so fr o a db u i l d i n gm a t e r i a la n da c t u a lo b s e r v a t i o nd a t a , t h ea r t i c l es e tu p2 d f i n i t ee l e m e n tm o d e lt oa n a l y s i st h em e c h a n i c a lr e s p o n s ea n dt e m p e r a t u r ef l i e do ft h ea s p h a l t p a v e m e n t p r o m u l g a t e st h er e a s o n sa n di n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h et o p - d o w nc r a c k i n g ，a n d d i s c u s s e st h em e a s u r e si np r e v e n t i o na n dc u r et o p - d o w nc r a c k s t a k e sa s p h a l tp a v e m e n tt r a n s v e r s es e c t i o na st h er e s e a r c ho b j e c t f i r s t l y , a c c o r d i n gt o h a r dt y r e sw a l lf o r c et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dt y r e sa c t u a ll o a da n dt i r ep r e s s u r e ，b u i l d i n g v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lc o n t a c ts t r e s s ，c o m b i n i n gd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr o a d b u i l d i n g m a t e r i a l ，u s i n g f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a b a q u s ，t h e a r t i c l em o d e l e x p l i c i td y n a m i c a n a l y s i s c a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w s ：t o p - d o w nc r a c k i n gd u et ot h es h e a rs t r e s so ft h e s t r u t u r es u r f a c e ；s l o ws p e e dp r o d u c e sh i g h e rs h e a rs t r e s s ，w h i c hi so n eo ft h ee x t e r n a l r e a s o n e s ；i nt h e s a m es p e e d ，m a t e r i a l 晰t h h i g h e rd a m p i n gr a t i op r o d u c e sl o w e rs h e a r s t r e s s ，w h i c hi s o n eo ft h e p a t h o g e n e s i s ；w i t ht h em a t h e m a t i c a ls t a t i t i c sm e t h o da n a l y z e d i f f e r e n tf a c t o r sa n di n f l u e n c es i g n i f i c a n c eo ft o p - d o w nc a r c k i n gi nd y n a m i cl o a d c o n d i t i o n s t h e n , c o n s i d e r i n gt h r e ec r a c k s 、析廿1d i f f e r e n tl e n g t hb a s eo ne x i s t i n gf i n i t ee l e m e n t m o d e l ，c o m b i n i n g 、i ma c t u a lo b s e r v a t i o no ft h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o no fa s p h a l t m i x t u r ed y n a m i cm o d u l u s ，r e s e a r c hc r a c kd e v e l o p m e n tr u l eu n d e rd y n a m i c l o a d i n g c a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w s ：a st h es p e e dr e d u c e s ，t h es h e a r i n gt y p es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r k i n c r e a s e s ，w h i c hm e a n s ：l o w e rs p e e dc a na c c e l e r a t ec r a c k i n g ；a st h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e s ，t h ea p s h a l td y m a n i cm o d u l u sr e d u c e ，t h es h e a r i n gt y p es t r e s si n t e n s i t yf a c t o rkn g o e sl o w e r ；t h es h e a r i n gt y p es t r e s si n t e n s i t yf a c t o rkui n c r e a s e sa si n i t i a lc r a c kl e n g t h ；o v e r a l l ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o np a v e m e n t 诚t hs i m i r i g i db a s eh a sc a l lr e d u c et h es h e a r i n gt y p e s t r e s si n t e n s i t yf a c t o rku ，w h i c hr e f l e c t sm o r ee v i d e n to nt h ec o n d i t i o no fw i t hl o n gc r a c ka n d l o wt e m p e r t u r e ；a n da n a l y s et o p - d o w nc r a c kf a t i g u el i f eb yp a r i se x p r e s s i o ni nd i f f e r e n t c o n d i t i o n a tl a s t ，r e s e a r c h e st e m p e r a t u r ef i e l da n dm e c h a n i c a lr e s p o n do ft h es t r u c t u r ei nt h r e e d i f f e r e n t t e m p e r t u r ed r o pr a n g e c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s s h o w s ：a f t e r r e p e a t e d a c t i o n s ，p a v e m e n tw i t hm i c r o c r a c k sc a nc a u s et o p d o w nc r a c k i n gu n d e rr a p i dt e m p e r t u r e d r o p i nt h ep r o c e s s ，t e n s i l es t r e s sa n dr a n g e a b i l i t ya ts u r f a c ei st h eh i g h e s ti np a v e m e n t ，t h e y r e d u c ew i t l lt h ed e p t h ei n c r e a s e d t h el o n g e rt h ei n i t i a lc r a c k , t h eb i g g e rt h et e n s i o nt y p es t r e s s i n t e n s t i t yf a c t o rki i n t h et e m p e r t u r ed r o pp r o c e s s ；w h e nt h et e m p e r t u r ed r o pr a n g e i n c r e a s e ，t e n s i o nt y p es t r e s si n t e n s t i t yf a c t o rki a l s oi n c 嬲er a p i d l y , t o p d o w nc r a c k s d e v e l o p m e n t w i l lb ea c c e l e r a t e d k e y w o r d s ：t o p d o w nc r a c k i n g ；d y m a n i cl o a d ；s h e a rs t r e s s ；f a t i g u el i f e ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r h i 目录 摘要i a 】b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 国内研究现状4 1 2 2 国外研究现状5 1 3 研究的主要内容、思路和技术7 1 3 1 研究的主要内容和技术7 1 3 2 研究方法和思路8 第二章动荷载下路表剪应力分析 2 1 动态分析理论和计算方法9 2 1 1 线性动态分析9 2 1 2 筑路材料的阻尼比一1 1 2 1 3a b a q u s 中的阻尼的定义1 2 2 2 二维路面动力学分析1 2 2 2 1 轮胎接地压力1 2 2 2 2 设置加载幅值曲线1 3 2 2 3 有限元模型1 4 2 2 4 材料参数15 2 2 5 静荷载下路面应力响应1 6 2 2 6 动荷载下柔性基层路面路表剪应力分析1 7 2 3 动荷载作用下不同参数影响的显著性分析1 9 2 4 本章小结2 0 第三章动荷载作用下t o p - d o w n 裂缝疲劳寿命分析 3 1 断裂力学的理论和计算方法2 2 3 1 1 应力强度因子k 2 2 3 1 2j 积分和应变能释放率2 5 3 1 3 强度因子的数值计算方法2 7 3 2 有限元模型2 9 3 3 结果分析3 1 3 3 1 动荷载作用下强度因子对比3 1 3 3 2 基于p a r i s 公式的裂缝扩展分析3 2 3 4 本章小结3 4 第四章降温幅度对沥青路面t o p d o w n 开裂的影响 4 1 温度场3 6 4 1 1 传热的三种方式3 7 4 1 2 热平衡方程3 7 4 1 3 建模及加载计算一3 8 4 2 热力耦合t o p d o w n 开裂有限元分析3 9 4 2 1 建模及材料参数设定3 9 4 2 3 降温过程中沥青面层断裂力学分析4 2 4 2 4 不同降温幅度下的路面拉应力和k t 分析4 3 4 3 本章小结4 4 第五章主要结论和进一步建议 5 1 主要结论4 6 5 2 进一步研究的建议4 7 参考文献4 8 致谢51 附录攻读学位期间发表论文及参加的科研项目5 2 厂 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国的公路建设事业随着国民经济的快速稳定发展，也进入又一个高潮期。 到2 0 1 0 年年底，全国公路总里程达到3 8 2 8 2 万公里。至2 0 1 0 年底，中国大陆的 高速公路总里程已达7 4 万公里，居世界第二位，仅次于美国。根据国家高速公 路网规划，在将来的2 0 年内，用于公路网建设的投资金额将超过1 0 0 0 亿人民币。 计划到2 0 2 0 年底，中国高速公路总里程将超过8 2 万公里，至少覆盖1 0 多亿人口， 接近甚至超过美国高速公路的规模。 沥青路面是在沥青稳定碎石柔性基层、水泥混凝土刚性基层或水泥稳定碎石 半刚性基层上铺筑一定厚度的沥青混合料面层的路面结构，在世界范围内，沥青 混凝土路面由于其易于施工的特性和优良的使用品质等成为高速公路建设时所采 用的主要路面结构形式，另外在机场道路和城市道路中也有广泛的运用。近年来， 人们越来越重视研究自然灾害的的应对策略。同样工程结构物也存在着“灾害 的应对问题，也应得到重视，在道路工程上就有车辙，开裂等。因此，有必要深 入研究沥青混合料和路面结构从而优化和提高路面设计、施工和养护维修水平。 该研究对预防和控制路面病害产生和节约社会资源有特别重要的意义，是保证我 国公路交通建设健康发展的必要手段。 沥青路面的常见病害很多，随着路面结构和交通轴载谱以及所处地理位置的 不同，也出现不同的破坏形式，主要包括开裂、车辙、沉陷和松散等。其中由于 反复荷载和温度应力引起的路面开裂是沥青路面早期损害的主要形式之一，覆盖 面也最为广泛。造成沥青路面开裂的因素很多，内在因素有路面结构力学参数， 混合料材料性质与沥青施工工艺，外在因素包括气候条件和交通情况等。这些裂 缝开始都可能只是微观裂缝，短而细，在各个因素综合作用下逐渐发展相互连通， 变长变宽，形成了宏观裂缝，继而发生疲劳扩展。同时雨水的容易通过裂缝侵入 和滞留在路面，进而又造成了水损害，成为其他路面病害的诱因。沥青路面裂缝 的产生使得路面使用性能下降和寿命降低，对交通运输带来很大的负面影响。路 面抗裂和带缝路面结构的问题已成为现在很多研究者和工程师们关心的最主要问 题之一。 沥青路面开裂模式主要分为自下而上( d o w n t o p ) 和自上而下( t o p d o w n ) 两 种，其中d o w n t o p 裂缝又分为两种形式：( 1 ) 由于沥青层底弯拉应力或应变反复 作用而向上扩展的传统型疲劳裂缝；( 2 ) 由于在基层特别是半刚性基层已有的温缩 或者干缩裂缝，或者旧水泥混凝土板接缝处产生应力集中，导致面层底部产生开 裂并向上反射直至穿透沥青面层。对于这两种裂缝，国内外公路学者和工程师都 进行大量的研究和实验。 由于沥青路面表面直接暴露在空气中，直接承受着环境和荷载的综合作用， 因此在沥青路面面层表面也会出现自上而下( t o p d o w n ) 的表面裂缝。主要有三种 形式和两种成因：横向裂缝、纵向裂缝和网裂；荷载型和非荷载型：( 1 ) 横向裂缝 由于路表降温产生的拉应力引起低温收缩开裂和温度疲劳开裂，均体现为开张型 开裂，裂缝间距往往一致，是非荷载型裂缝；( 2 ) 纵向裂缝由交通荷载产生，通常 出现在轮迹带处，研究表明，这种开裂主要是剪切型开裂，但也有学者持不同看 法认为纵向的t o p d o w n 开裂是荷载型张拉型开裂，同时路幅较宽时也会出现非荷 载型纵向裂缝；( 3 ) 网裂是由于横向和纵向裂缝共同连通或者纵向裂缝不断发展而 产生。除了以上原因会导致开裂以外，沥青混合料本身作为一种非均匀性材料， 在铺筑过程中，由于级配设计和施工工艺等问题也难以避免产生一定的微裂缝。 根据实际观察，t o p d o w n 裂缝主要出现在柔性基层沥青路面的实际使用过程 中，并成其他沥青路面病害的主要诱因之一：在美国华盛顿州的5 1 3 公里的州际 公路( 相当于中国的高速公路) 上，就有2 5 9 公里的路段有不同出现自上而下开裂 ( t o p d o w nc r a c k i n g ) ，占公路总里程的5 1 1 1 ；科罗拉多州的钻芯取样表明，在 2 5 处出现路面裂缝的路段中就有1 8 处的裂缝为t o p d o w n 裂缝，占7 2 【2 】；地处 于夏季漫长亚热带湿润气候区的佛罗里达州，在进行大修的路段中，t o p d o w n 开裂路段占9 0 之多，较北方情况更加严重。在日本，法国等国家，柔性基层 路面的t o p d o w n 裂缝也非常严重，是柔性基层沥青路面的主破坏形式之一。 同时在国内，针对高等级公路的车辙和反射裂缝问题，许多科研工作者也 提出了很多建设性的意见，其中就有改进半刚性基层沥青路面层位组合：一方 面在满足强度要求的条件下，适当降低半刚性基层的模量；另一方面增加沥青 层厚度，有传统的15 c m 增加至18 c m 以上，陕西省先后加厚过2 次沥青层厚 度，第一次1 8 2 0 c m ，然后2 0 2 2 c m ，江西、福建和河北等省将沥青面层增至 2 4 - 2 6 c m ，山东省2 0 0 6 年后大面积推广3 0 c m 以上的沥青面层，广东省更是将 3 4 c m 厚沥青层写入设计指南，同时全国各省都开始尝试采用厚沥青层沥青路 面，这样的做法，类似于修建柔性基层路面，不仅防止了车辙的出现，反射裂 缝出现的几率也降低了许多，但是在建成3 5 年后，也出现了t o p d o w n 裂缝 以纵向的为主。 与半刚性基层沥青路面普遍发生的反射裂缝相比，t o p d o w n 裂缝在维修 时只需要对路面表层进行养护维修，不触动基层，故维修较为方便。但出现 t o p d o w n 裂缝后，沥青路面结构承载力会有所降低，同时裂缝呈上大下小的 v 字型发育，此时雨水容易侵入路面结构内部，由于集料的对水的亲和性大于 对沥青胶结料，导致了面层沥青路面材料的松散和剥落，从而使得路面出现坑 2 槽空洞等病害，进一步降低了路面强度，同时也使得路面行驶安全性能降低。 沥青路面的t o p d o w n 裂缝的扩展也成为其他多种路面病害如坑槽和空洞等的 诱因。 图1 1 沥青路面t o p d o w n 裂缝 鉴于t o p d o w n 裂缝的巨大的潜在危害，美国各州( 诸如佛罗里达州、加利 福尼亚州和密歇根州等) 联合世界各国纷纷对沥青路面的t o p d o w n 裂缝的产生 机理和发展模式进行科研立项并开展研究。 研究和理解沥青路面t o p d o w n 裂缝的产生机理和扩展模式对于优化沥青 路面结构设计是非常必要的；现在国内外设计规范中所采用计算软件的和一些 学者采用的路面结构设计理论大多是基于多层弹性层状体系理论：如壳牌公司 的b i s a r 软件，加尼福尼亚大学伯克利分校的e l e s y m 软件，黄仰贤开发的 k e n l a y e r 程序以及东南大学的a p d s 2 0 0 2 软件等。这些软件和程序在分析 疲劳寿命时一般都是假定疲劳裂缝在沥青混凝土层底产生并向上扩展，层底拉 应力和应变成为控制疲劳裂缝扩展的关键指标。其思路是通过控制层底弯拉应 力应变来提高路面的疲劳寿命。这些传统的理论主要关注路面结构层底的力学 响应，并没有解释t o p d o w n 裂缝的产生机理和扩展模式，更没有提出控制 t o p d o w n 裂缝的力学指标。近年来，随着交通事业的发展，t o p d o w n 裂缝的 出现和带来的问题越发严重，该问题也引起了广大学者的广泛关注。美国的 a a s h t 0 2 0 0 2 设计指南中已经明确提出了对t o p d o w n 裂缝的控制指标1 3 。而 在我国现行的设计规范中，也只是采用层底拉应力控制疲劳寿命和路表弯沉控 制路面整体强度，而近年来，交通运输系统压力增大，尤其是普遍的超载超限 现象，造成了很多的早期破坏现象，并且在很多病害产生的路段，路面整体强 度依然很高，单用路表弯沉不足以反映。近年来，t o p d o w n 裂缝作为一种新 型的早期破坏问题出现在了各种不同结构类型的沥青路面中，而我国关于路面 结构的裂缝的研究大多只局限于半刚性基层裂缝和沥青层底裂缝，认为路面结 构的破坏是由于层底的拉应力应变过高而导致，采用的都是传统的疲劳理论， 对t o p d o w n 裂缝的研究较少，尚未达成一致的认识。 由于裂纹附近有很复杂的应力场和位移场，而传统的强度理论不能解释裂 缝的扩展问题，但是断裂力学的出现和发展为此提供了新的思路和方法。因此， 从断裂力学的角度来解释沥青路面t o p d o w n 裂缝的扩展机理，并结合动力学 特性和沥青混合料的温感特性可以更加全面的认识沥青路面t o p d o w n 裂缝的 发展模式以及影响因素。此课题研究的成果必将产生巨大的社会效益与经济价 值，在我国公路工程建设的实践中具有广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 t o p d o w n 裂缝起源于路表，之后逐渐向周围发展，以纵向裂缝为主，路面 出现t o p d o w n 裂缝后，结构承载力会降低，结构强度下降，且易使得雨水渗 入路面结构内部，从而导致沥青路面材料的松散和剥落，路面出现坑槽，空洞 等病害。进一步导致路面承载力的降低，结构强度的下降，且在一定程度上影 响到驾驶车辆安全性能。通过观察路面钻取芯样，大多数学者认为t o p d o w n 裂缝仅在沥青混凝土上面层或沥青混凝土中面层中发展。经现场调查发现大多 数纵向t o p d o w n 裂缝位于轮迹带附近，s v a s a d i s a n t 将其发展分为三个主要阶 段： 1 较短的微细纵向裂缝出现在轮迹带附近； 2 微细裂缝逐渐变长变宽，新的裂缝出现并沿原裂缝平行发展； 3 纵向平行裂缝和较短的横向裂缝联通，继而出现坑槽和空洞等【4 1 。 资料显示，美国、日本、法国等国家的t o p d o w n 裂缝已经是沥青路面主 要病害之一。美国各州已经开展了大量的调查研究。 1 2 1 国内研究现状 西南交通大学毛成( 2 0 0 4 ) 认为t o p d o w n 裂纹的形成和扩展是由于低温应 力及低温疲劳应力引起，在荷载作用下，裂缝的强度因子随着面层模量增加而 增大，而随着基层的模量增加而减小，同时非均布荷载对t o p d o w n 裂缝的扩 展也有较大影响1 5 j 。 同济大学的孙立军( 2 0 0 5 2 0 0 6 ) 等认为源于路表面的轮迹带附近的纵向开 裂是重载交通沥青路面的主要破坏类型之一，建立了三维的路面结构有限元模 型模拟实测轮胎接触压力，计算出四种典型道路的最大拉应力和剪应力的值及 其位置，绘制了等值线图，认为轮载下的剪应力是造成t o p d o w n 裂缝产生的 主要原因【6 7 i 。 湖南大学易昕( 2 0 0 6 ) 采用二维和三维有限元法分析了荷载作用下纵向和横 4 向的t o p d o w n 裂缝尖端的应力强度因子，并采用p a r i s 公式分析了t o p d o w n 裂缝的疲劳扩展规律与疲劳寿命。同时基于p a r i s 公式采用数值方法分析了疲 劳模型参数和路面结构参数对t o p d o w n 裂缝的影响与疲劳寿命的影响，给出 了筑路材料选取与路面结构设计等方面的建议【8 】。 长安大学的吕光印( 2 0 0 8 ) 采用三维有限元法结合子午线轮胎的“泊松效 应”，将轮胎一路面接触面积进行简化，分析了不同负载，胎压和轮组数量等 因素对t o p d o w n 裂缝开裂的影响的显著性。认为在路表产生的拉应力和m i s e s 应力是导致t o p d o w n 裂缝产生的最主要的原因1 9 。 1 2 2 国外研究现状 s v a s d i s a n t ( 2 0 0 2 ) 等通过研究认为，两种主要因素引起了沥青路面 t o p d o w n 开裂：( 1 ) 由于轮载引起的路表径向的拉应力应变和施工、温度梯度 和表面层沥青混凝土的老化导致的劲度差异；( 2 ) 沥青胶结料的老化降低了沥青 混凝土的拉伸强度。 m y e r s 和r o q u e ( 1 9 9 8 ) 对厚沥青路面的t o p d o w n 裂缝的产生机理进行了分 析，利用断裂力学和有限元法，综合分析表明t o p d o w n 裂缝也产生于极少出现 病害的厚沥青路面。认为拉应力是导致裂缝扩展的最主要因素，鉴于t o p d o w n 裂缝出现的特殊性，分析其产生机理时，应充分考虑实地接触压力，温度梯度 带来的沥青混合料的劲度变化等【l 叫。 w a n gl b 和m y e r s ( 2 0 0 3 ) 提出t o p d o w n 裂缝可能有多种形式的产生机理： 不仅可能从路表开始，也有可能从路表以下一定深度开始；拉伸型和剪切型的 裂缝都可能引发t o p d o w n 裂缝；t o p d o w n 裂缝更可能在路面温度很高沥青 变软时产生，因此他们认为，抗车辙性差的沥青混凝土可能抗开裂性也差， t o p d o w n 裂缝与车辙两者可能存在内在的联系【1 1 】。 m y e r s 和r o q u e ( 2 0 0 1 ) 使用m p a p s c r a c k 3 软件研究了由于温度应力和荷 载耦合引起t o p d o w n 开裂的机理，指出温度应力和荷载应力的耦合作用是 t o p d o w n 裂缝产生的原因，尤其是在严酷的条件下，例如温度骤降、春融和 反复的降温升温过程等【l 2 1 。 d ef r e i t a s 和e l i s a b e t ef r a g a ( 2 0 0 9 ) 结合1 7 个钻芯取样的结果，通过加速轮轨 实验和三维非线性粘弹性有限元模型，研究了货运卡车接地压力、混合料设计参 数( 孔隙率和胶结料含量等) 和施工质量( 离析程度) 对t o p d o w n 开裂的影响，研究 发现：( 1 ) 孔隙率，离析程度和胶结料特性对t o p d o w n 开裂都有显著影响，( 2 ) 已 经形成车辙的表面更容易产生t o p d o w n 开裂 1 3 】。 k i m ，j a e s e u n g ( 2 0 0 9 ) 认为：( 1 ) 用常规的层状线弹性体分析柔性沥青路面的结构 的方法计算出来的最大拉应变发生在沥青层底，但沥青混合料是粘弹性体，其力 学响应与时间和荷载频率有关，该结论不一定成立；( 2 ) 利用粘弹性模型分析沥青 5 路面结构最大拉应变发现：由于混合料的流变特性，最大拉应变最先出现在沥青 层底和顶部。且随着加载的重复，顶部的拉应变大于底部的拉应变。通过敏感性 分析了不同参数对沥青路面结构层底和顶面拉应变的发展过程。预测的结果也和 实际观测到t o p d o w n 开裂的结果一致l l 4 1 。 l u o ，r o n g 和p r o z z i ( 2 0 0 7 ) 认为t o p d o w n 开裂与重载造成的路表水平应变有 关，轮胎一路面实际接触面积是非均匀的分布而非传统观念上的圆形，并且压力 的分布沿着轮胎横向和纵向呈非线性，通过利用层状弹性计算软件c i r c l y 建立 三维有限元模拟非线性分布的轮胎接触压力，分析了五种不同负载和胎压作用下 对1 2 种路面结构的水平应变。结果发现( 1 ) 最大横向应变发生在轮胎作用面内，而 最大拉应力分布在轮胎边缘外侧；( 2 ) 垂直和横向的接触压力对线性应变有着重要 影响，同时以垂直压力影响最大( 3 ) 同时也建立了两个模型分析横向和纵向的水平 应变。经过对比，认为双圆均布荷载的模型计算出的结果相对保守一些【1 5 】。 m a s t u n o 和n i s h i z a w a 对日本境内的t o p d o w n 裂缝进行调查研究后发现， t o p d o w n 裂缝也是日本柔性沥青路面的主要破坏形式，通常在建成后1 5 年内 在轮迹带边缘出现t o p d o w n 裂缝，尤其是处于太阳直接曝晒的路段，相对而 在路面上方有遮挡物的地方( 树荫和立交桥下) 则出现较少。通过采用线弹性 有限元方法对单轮荷载压力下的不同路面结构进行分析，通过分析两种路面结 构后认为，路面在高温情况下局部膨胀与荷载应力的耦合是导致沥青路面 t o p d o w n 开裂的两个主要原因，而且t o p d o w n 裂缝的产生与路面结构面层 的厚度两者相关性不高。 r o q u e ( 2 0 0 4 ) 等通过对现场2 2 个试验段的详细分析和评估，建立了基于能 量方法控制t o p d o w n 裂缝的标准，并采用能量比的概念解释路面结构参数对 t o p d o w n 开裂的影响，然后推荐了两种基于能量的控制热拌沥青混凝土 t o p d o w n 开裂的标准一最小消散蠕变应变能极限和最小能量比( 当消散蠕变应 变能极限远大于最小值时) 。 u h l m e y e r 等( 2 0 0 0 ) 对华盛顿州的沥青路面的t o p d o w n 裂缝调查后发现， 路面建成3 8 年内，当沥青混凝土层超过1 6 c m 时，沥青路面出现的t o p d o w n 开裂，因而认为路面横断面的结构厚度对t o p d o w n 开裂有着重要影响，该结 论与m a s t u n o 和n i s h i z a w a 的相反。 s c h o r c h ( 2 0 0 3 ) 通过实地调查检测和室内试验证实，沥青混合料的级配离析 容易导致沥青路面t o p d o w n 开裂。 b e n s l e m 建立有限元模型分析了沥青路面结构中由荷载引发的应力应变， 指出：( 1 ) 垂直平面内位于轮胎边缘的剪应变随着深度急剧减小，这就是 t o p d o w n 裂缝只停留在沥青面层的中上层；( 2 ) 同时剪应变随着沥青面层的减 薄而增加；( 3 ) 由于降温导致的沥青层的拉应力增加对t o p d o w n 裂缝的产生与 6 发展也有重要作用。 综上所述，国内外众多学者的大量研究表明 i - 1 5 】： 1 柔性沥青路面t o p d o w n 裂缝是其使用过程中的主要病害形式和某些其 他病害的主要诱因； 2 沥青路面t o p d o w n 裂缝的影响因素众多，许多学者的看法也并不一致。 其中公认的主要原因包括：重载和非均布荷载造成的荷载应力，沥青胶结料的 老化，混合料的级配，施工存在的不足造成的压实度不够和离析等； 3 在以下几个方面仍存在争议：( 1 ) 沥青路面结构层厚度与t o p d o w n 开裂 的关系，一种观点认为两者具有较好的相关性，另一种则认为沥青路面结构厚度 与之关系并不大；( 2 ) 拉应力应变与剪应力应变同t o p d o w n 裂缝产生和发展的 关系，究竟哪个是主要诱因；( 3 ) 沥青路面结构温度场与t o p d o w n 裂缝之间的 关系，一种观点认为低温时温度应力与荷载应力的叠加导致t o p d o w n 裂缝的 发展，一种观点则认为高温时沥青路面的t o p d o w n 裂缝更容易发展。 国内外对沥青路面t o p d o w n 裂缝裂缝的发展进行了大量的研究，取得了 很多成果，但鉴于该问题的复杂性，且研究方法和建模方式各不相同，各地域 的沥青路面条件存在一定差异，试验数据的差异，导致t o p d o w n 裂缝的产生 最大一点的争论就是t o p d o w n 裂缝的产生于路面拉应力应变、剪应力应变的 关系。仍存在以下方面有待深入和系统的研究： 1 相同荷载不同车速作用下与t o p d o w n 裂缝相关的沥青路面的力学响 - - - 应； 2 沥青混合料的一些本身性质对t o p d o w n 裂缝的影响； 3 沥青路面结构内温度场与t o p d o w n 裂缝发展的关系； 4 t o p d o w n 裂缝的疲劳寿命； 5 从外在因素以及沥青混合料的内在因素出发提出抑制t o p d o w n 裂缝发 展的一些措施与方法。 1 3 研究的主要内容、思路和技术 1 3 1 研究的主要内容和技术 在大量参考他人研究成果的基础上，针对沥青路面t o p d o w n 开裂的研究 现状，结合国内外沥青路面的实际情况，对轮载作用下沥青路面结构进行分析， 研究沥青路面结构的力学响应、路面结构的温度场情况以及温度变化对路面结 构的影响，根据相关的理论基础，进行静力学、动力学、传热学和热力耦合四 大类有限元计算，研究沥青路面的t o p d o w n 开裂机理，从外在因素以及沥青 混合料的内在因素出发探讨减缓和防治t o p d o w n 裂缝的措施与方法。本课题 拟对一下几个内容展开研究： 7 1 相同荷载不同车速作用下沥青路面的力学响应； 2 路面结构参数和材料性质对t o p d o w n 裂缝的影响； 3 t o p d o w n 裂缝的疲劳寿命； 4 沥青路面结构内温度场与t o p d o w n 裂缝发展的关系； 5 从外在因素以及沥青混合料的内在因素出发提出抑制t o p d o w n 裂缝发 展的一些措施与方法。 1 3 2 研究方法和思路 图1 2 研究技术方法和思路 8 第二章动荷载下路表剪应力分析 2 1 动态分析理论和计算方法 2 1 1 线性动态分析 通常进行路面有限元分析，仅考虑系统承受荷载后的长期相应，静力分析( s t a t i c a n a l y s i s ) 就能解决。但是实际路面是承受连续不断的移动荷载的，就必须采用动态 分析( d y n a m i ca n a l y s i s ) 1 6 1 。 由牛顿第二运动定律可得动力学平衡方程： 旅+ j