车路耦合作用下含裂缝不平整沥青路面的疲劳寿命研究

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由于沥青路面本身存在不平整度和裂缝等缺陷,在车辆荷载作用下,造成沥青路面的疲劳寿命降低。本文考虑路面不平整度引起的车路耦合动荷载效应,运用有限元方法对平整不含裂缝、不平整不含裂缝和不平整且含裂缝三种沥青路面结构进行动力响应计算分析。在此基础上利用疲劳寿命预估公式,预测沥青路面的疲劳寿命,分析路面结构设计参数和车辆轴载对疲劳寿命的影响。主要研究内容及结论如下:(1)将车辆简化为二自由度四分之一车辆振动模型,以路面不平整度作为车辆模型的激励源,求解车路耦合作用引起的动荷载。利用有限元方法对平整不含裂缝、不平整且不含裂缝两种路面结构进行动力响应计算分析,并对疲劳寿命进行预估。结果表明,增大基层厚度与弹性模量会使基层底部的横向拉应力变大,容易形成半刚性基层反射裂缝,无裂缝不平整沥青路面的疲劳寿命相较于平整路面降低了 33.9%。(2)对预设裂缝的不平整沥青路面进行动力响应分析,计算裂缝尖端的应力强度因子,并对路面结构设计参数和车辆轴载的影响效果进行分析。结果表明,裂缝早期扩展主要由张开型应力强度因子K1引起,裂缝开裂中后期由张开型应力强度因子K1与剪切型应力强度因子K2共同作用,开裂末期K2会大于K1;面层与基层厚度和K1与K2呈负相关,K1与K2均与面层模量呈正相关,与基层模量呈负相关;超载对于K1与K2的影响效果最明显。(3)根据上述计算结果,基于Paris公式,通过线性近似法计算沥青路面的疲劳寿命。结果表明,增加面层与基层厚度是最有效的改善沥青路面疲劳寿命的方法,基层厚度对疲劳寿命的影响程度较小;疲劳寿命与面层模量呈负相关,与基层模量呈正相关;车辆轴载对于路面疲劳寿命的影响十分显著,当轴载增加100%时,疲劳寿命减少243%;影响沥青路面疲劳寿命的四种材料参数敏感性排序为:面层厚度>基层厚度>面层模量>基层模量。(4)通过对关中环线(S107)公路行驶的不同车型交通量的统计,应用轴载换算法进行计算分析,结果表明:路面不平整度使沥青路面的疲劳破坏时间降低了 33.7%,在正荷载与偏荷载两种极端荷载作用下,预设裂缝的不平整路面基层底裂缝贯穿表面需要3.93-4.78 年。
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