發(fā)布時間：2014-12-31 11:20

 

【摘要】 隨著我國高等級公路的建設(shè)和發(fā)展，半剛性基層瀝青路面得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于自然因素以及車輛荷載等因素，許多高速公路在通車數(shù)年之后，瀝青面層就產(chǎn)生了大量麻面、松散、唧漿、坑洞、網(wǎng)裂等破壞現(xiàn)象，而多種破壞現(xiàn)象都與水有著直接或間接的關(guān)系。為此，我國道路工作者圍繞水損害問題進(jìn)行了大量的研究。很多人致力于水損壞的破壞機(jī)理，破壞程度，防護(hù)修補(bǔ)措施以及新型材料的研究，為了分析計算動水壓力的大小以及時程變化情況，一部分研究人員致力于應(yīng)用有限元計算方法模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)，來分析瀝青路面早期水損害的破壞機(jī)理。但是，很少有人從細(xì)觀的角度分析瀝青路面孔隙內(nèi)部的壓強(qiáng)分布以及動水作用下瀝青混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。本文在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合計算流體力學(xué)，假設(shè)了瀝青路面孔隙模型，對瀝青路面孔隙內(nèi)部流體的壓強(qiáng)分布，流速分布，流場分布情況進(jìn)行了分析，對孔隙周邊的瀝青混合料的應(yīng)力分布進(jìn)行了計算分析。并結(jié)合試驗測得的瀝青自身的粘結(jié)力和瀝青與骨料之間的粘附力，判斷瀝青混合料早期水損害的形式與位置。第一，通過觀察瀝青路面孔隙分布情況，結(jié)合試件內(nèi)部孔隙的形狀，大小，連接孔隙的縫隙數(shù)量等因素，分析了瀝青路面中孔隙可能存在的形式。并結(jié)合流體力學(xué)基本理論，通過對不同形狀模型進(jìn)行試算，建立了瀝青路面孔隙的標(biāo)準(zhǔn)模型。第二，基于流體力學(xué)基本理論以及湍流理論，選取計算湍流的標(biāo)準(zhǔn)k計算模型，對瀝青路面孔隙標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了計算分析。得到了瀝青路面孔隙內(nèi)液體壓強(qiáng)的分布情況；探討了瀝青混合料有可能最先發(fā)生損傷的位置；對比了在連接孔隙的縫隙數(shù)量，尺寸以及連通性不同的情況下液體壓強(qiáng)分布情況；對出口縫隙存在變徑的情況進(jìn)行了分析。對封閉縫隙存在于不同位置的六種情況進(jìn)行了計算分析，研究了封閉縫隙位置對孔隙內(nèi)部的壓強(qiáng)分布造成的影響。第三，建立了流固耦合模型，應(yīng)用單向耦合，計算了在隨時間變化的載荷作用下瀝青混合料的應(yīng)力分布情況，通過對應(yīng)力的大小和方向的分析，推斷瀝青混合料可能出現(xiàn)的破壞位置以及破壞的先后順序。最后，利用前人的試驗方法，測定了瀝青的粘附力瀝青與骨料之間的粘結(jié)力的大小。對比瀝青混合料的受力情況，分析瀝青混合料早期水損害的破壞形式。 

第 1 章 緒論

 

1.1  選題背景及意義

自二十世紀(jì)八十年代以來，我國的高速公路的建設(shè)得到迅猛發(fā)展，通車?yán)锍滩粩嘣黾樱�公路運(yùn)輸已成為我國最主要的交通運(yùn)輸形式之一。但是隨著交通量和車輛荷載的激增，我國高速公路在建成幾年之后即出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，不僅降低了道路的使用性能，而且為之后的維修與養(yǎng)護(hù)帶來了高額的費(fèi)用，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在高速公路路面早期的幾種破壞形式中根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，麻面占0.47%、網(wǎng)裂占 2.72%、泛油占 6.02%、松散占 8.90%、沉陷占 19.58%、坑洞占62.3%，從以上比例中可以看出坑洞是主要的破壞形式，坑洞產(chǎn)生的主要原因有：瀝青層施工完成時的孔隙率偏大、瀝青與礦料間的黏結(jié)性能不好、滲入瀝青層的水不能及時排出，從而出現(xiàn)了水損現(xiàn)象。

水損害在高速公路早期損害中占很大比例，我國的瀝青路面的設(shè)計年限多為15-20 年，但目前通車一段時間后，高速公路瀝青路面無一例外地出現(xiàn)不同的水損害狀況，主要表現(xiàn)為路面坑洞、裂縫、瀝青剝離、松散，轍槽等現(xiàn)象。在我國南方，常年雨水較多，如果瀝青路面底層排水不良，將會導(dǎo)致瀝青路面內(nèi)存水，經(jīng)過車輛荷載的反復(fù)作用，導(dǎo)致瀝青從骨料上剝離，甚至脫落。在北方雖然降水少于南方，但是北方路面同樣存在早期水損害問題，尤其是冬春季節(jié)，由于晝夜溫差較大，白天路面積雪融化滲入路面卻無法及時排除，殘留于路面中的水到了夜間結(jié)冰，體積膨脹，可能造成部分路面開裂，同時由于反復(fù)凍融，會導(dǎo)致瀝青的疲勞，使瀝青的粘結(jié)性能下降。

在路面的早期損害中，有一些損壞，如沉降，推移已經(jīng)隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展得到了很好的解決，近些年來國內(nèi)外對水損害問題的重視程度不斷提高，為了盡可能的降低瀝青路面早期水損害，很多研究人員都致力于這方面的研究，希望通過試驗或者數(shù)值模擬等方法對瀝青路面的水穩(wěn)定性進(jìn)行評價，進(jìn)而找出防治瀝青路面早期水損害的方法，同時人們在路面試驗中采用了許多新技術(shù)如采用 SHAP 瀝青評價技術(shù)SUPERPAVE 的混合料設(shè)計技術(shù),以及抗剝落劑，各種纖維材料的添加，這些方法在一定程度上改善了瀝青混合料的性能，但是沒有從根本上解決早期水損害問題，甚至根本沒有一套完善的評價瀝青路面水損害的方法。因此，系統(tǒng)研究瀝青路面早期水損害產(chǎn)生的原因及防治措施有著重大的經(jīng)濟(jì)及社會意義。

 

1.2  瀝青路面水損害的表現(xiàn)形式

降水進(jìn)入瀝青路面面層，如果無法及時排除，在車輛荷載的反復(fù)作用下將會產(chǎn)生以下水損害形式：

1.  泛油

水損害引起的泛油與普通的泛油有所不同，普通泛油是指瀝青路面中的自由瀝青受熱膨脹，直至瀝青路面中的孔隙無法容納，溢出上泛到路表的現(xiàn)象。而水損害引起的泛油，是由于瀝青路面孔隙中存有水，在車輛荷載的不斷作用下，瀝青剝落析出，同時在車輛的帶動下，表面析出的瀝青將會被推移，進(jìn)而產(chǎn)生轍槽，嚴(yán)重時，瀝青與骨料分離，進(jìn)一步造成瀝青混合料松散現(xiàn)象。

2.  形變、網(wǎng)裂、轍槽

在泛油的基礎(chǔ)上，瀝青路面中面層內(nèi)存有積水，導(dǎo)致上面層首先在行車的輪跡帶上產(chǎn)生網(wǎng)裂形變，有的甚至直接產(chǎn)生轍槽。在隨后的降雨過程中，可能導(dǎo)致原網(wǎng)裂帶進(jìn)一步惡化，形成松散、坑洞。

 

 

3.  松散、坑洞

水透入上面層后，透入上面層的水較快滲入中面層,滯留在中面層的水來不及透過中面層進(jìn)入底面層之前，中面層瀝青混凝土強(qiáng)度變?nèi)�，瀝青剝落，經(jīng)過長時間的車載作用，瀝青混合料變得松散。瀝青表面一旦產(chǎn)生松散，在大量的高速行駛車輛的帶動下會將松散的骨料甩出，或者被雨水沖走，進(jìn)而形成坑洞。

 

 

 

第 2 章 基本理論介紹

 

2.1  流體力學(xué)基本理論

流體力學(xué)發(fā)展至今已經(jīng)成為力學(xué)領(lǐng)域一項非常重要的分支學(xué)科，特別是流固耦合理論發(fā)展以后，流體力學(xué)的基本理論在各個方面得到了廣泛的應(yīng)用。歷史上，流體力學(xué)一直沿著理論的和實驗的兩個不同的途徑發(fā)展。理論流體力學(xué)由于 1755 年歐拉方程的提出，對于不考慮粘性的理想流體流動的理論解已逐漸達(dá)到完美的程度。遺憾的是理想流體的解往往與試驗結(jié)果和真實流動相差甚遠(yuǎn)，甚至相反。因此工程師們?yōu)榱私鉀Q生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展中提出的流體運(yùn)動問題，發(fā)展了高度經(jīng)驗性的一門流體力學(xué)的分支—水力學(xué)。 

理論流體力學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，筆耕文化傳播，1821 年開始，納維等人考慮將分子間作用力加入到歐拉方程中去。1845年斯托克斯將這個分子間的作用力用粘性系數(shù) μ表示，并正式完成了納維-斯托克斯方程，最終建立了粘性流體力學(xué)的基本方程，奠定了近代粘性流體力學(xué)的基礎(chǔ)。

20 世紀(jì)初，德國工程師普朗特提出了邊界層理論，對流體力學(xué)，特別是粘性流體力學(xué)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。邊界層理論的提出使理論和實驗完美地統(tǒng)一起來，從而使流體力學(xué)的兩個分支—理想流體力學(xué)和水力學(xué)逐漸結(jié)合和統(tǒng)一，使流體力學(xué)得到了劃時代的發(fā)展。

2.1.1  流體力學(xué)基本方程

對于流體是否有粘性我們把流體分為粘性流體和非粘性流體—理想流體。如果兩層流體間有相對滑移，即存在剪切變形，流體內(nèi)部便會產(chǎn)生切應(yīng)力以抵抗這種變形，稱流體的這種抵抗變形的性質(zhì)為粘性。流動的實際流體中總會存在切應(yīng)力，然而在某些條件下粘性力與其他力如慣性力相比處于次要地位，可以忽略粘性影響，取切應(yīng)力為零，稱這種流動為非粘性流動，或者是理想流體流動，這里面所說的理想流體就是沒有粘性的流體。

 

2.2  本章小結(jié)

本章主要內(nèi)容包括

（1）介紹了流體力學(xué)的基本理論，列舉了計算過程中所需要的一系列方程。

（2）介紹了湍流的基本理論，以及湍流計算方程基本推導(dǎo)過程，為之后的計算提供了理論基礎(chǔ)。

（3）介紹了計算流體力學(xué)軟件 CFD-ACE+基本情況以及主要技術(shù)特點，同時介紹了軟件中包含的不同的處理模塊和應(yīng)用范圍。

（4）詳細(xì)介紹了本文計算中應(yīng)用的三個模塊，流體模塊、湍流模塊、應(yīng)力模塊，并且分別給出了各個模塊計算的基本理論和湍流模塊的主要計算模型。 

 

第3 章  瀝青路面孔隙穩(wěn)態(tài)計算模型的建立..........19

3.1  孔隙模型的建立..........19

3.1.1  道路表面空隙分析.........19

3.1.2  路面內(nèi)部孔隙分布分析.................20

第4 章  瀝青路面水損害的穩(wěn)態(tài)分析..........29

4.1  標(biāo)準(zhǔn)模型的穩(wěn)態(tài)分析........29

4.2  連接縫隙尺寸大小對計算結(jié)果的影響分析........32

第5 章  瀝青路面水損害的瞬態(tài)分析..........43

5.1  瀝青路面瞬態(tài)計算模型.............43

5.1.1  荷載的施加..............43

 

第 6 章 試驗分析

 

我國眾多學(xué)者對瀝青的粘結(jié)性能進(jìn)行了廣泛的研究，主要的方法有通過水煮法評價瀝青混合料的粘結(jié)性能[42]，但是水煮法的試驗技術(shù)較難控制，且通過目測方法很難進(jìn)行精確地評估瀝青脫落的面積；另一種方法是基于粘附功的測試方法，通過測試瀝青開裂面的張力和角度計算粘附功，根據(jù)粘附功的值確定粘附效果。

還有人通過直接測量瀝青與骨料之間的粘結(jié)力判斷瀝青的粘附效果。普遍認(rèn)為瀝青混合料的粘結(jié)力的強(qiáng)弱是影響早期水損害的主要因素，因此尋求一種瀝青與骨料之間粘結(jié)力的測試方法尤為重要。目前，可以使用萬能試驗機(jī)對粘結(jié)力進(jìn)行測試，但使用中存在調(diào)整時間過長及操作不方便等問題。

本文中采用吉林大學(xué)鄭傳峰副教授自制的液壓測量拉伸裝置以及相應(yīng)測量方法對瀝青本身的粘結(jié)強(qiáng)度和瀝青與骨料之間的粘附強(qiáng)度的測量。

 

6.1  試驗原理

該試驗是采用 HC-40 的液壓力測量裝置和自行設(shè)計的測試管芯來測試礦料接觸面的拉伸荷載。計算礦料接觸面的總體拉伸強(qiáng)度tR ，在不同外界條件下，將總體拉伸強(qiáng)度tR 與 AM-20 半開級配瀝青穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度TR 進(jìn)行對比，之后用一個相應(yīng)的計算方法確定骨料與瀝青之間的粘附強(qiáng)度aR ，以及瀝青本身的粘結(jié)強(qiáng)度cR 。通過試驗的結(jié)果顯示礦料接觸面的總體拉伸強(qiáng)度tR 與混合料的劈裂強(qiáng)度TR 存在部分差別，但是他們的變化規(guī)律是一致的。因此，可以認(rèn)定該測試方法的有效性。

 

第 7 章 結(jié)論與展望

 

7.1  全文總結(jié)

本文基于計算流體力學(xué)理論，應(yīng)用有限元軟件CFD-GEOM 建立了飽水瀝青路面孔隙的模型和流固耦合模型，并應(yīng)用 CFD-ACE+對其進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算，采用所建立的模型分析了以下內(nèi)容。

（1）描述標(biāo)準(zhǔn)孔隙模型建立的過程，包括孔隙的大小，形狀的選取。確定了模型的邊界條件以及荷載的大小，通過計算給出了標(biāo)準(zhǔn)孔隙模型內(nèi)部液體的壓強(qiáng)分布情況，流速分布情況，流場分布情況等。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了連接孔隙的縫隙在不同尺寸情況下的模型，并對新建立的模型進(jìn)行了計算分析。對出口縫隙存在變徑的情況進(jìn)行了計算和詳細(xì)地分析。

（3）連接孔隙的開口縫隙數(shù)量與位置不同情況下的對比分析，比較縫隙數(shù)量與位置對孔隙內(nèi)部壓強(qiáng)分布的影響，對不同模型最早出現(xiàn)破壞的位置進(jìn)行分析預(yù)測。

（4）連接孔隙的封閉縫隙位置不同情況下的液體壓強(qiáng)分布情況分析，對不同位置處封閉縫隙內(nèi)壓強(qiáng)大小進(jìn)行分析，確定不同位置對封閉縫隙壓強(qiáng)大小以及方向的影響，進(jìn)而判斷破壞位置。

5）設(shè)定流固耦合模型，進(jìn)行瞬態(tài)分析，通過計算確定流固耦合模型的固體部分的長度，建立之后計算中使用的流固耦合模型，確定施加的瞬態(tài)荷載，以及固體的邊界條件。

（6）假設(shè)出口縫隙中存在一開裂縫隙，對液體流動區(qū)域內(nèi)存在的開裂縫隙的模型計算分析，通過計算結(jié)果提取瀝青混合料的應(yīng)力場分布，對等效應(yīng)力、x方向應(yīng)力和y方向應(yīng)力進(jìn)行分析，確定最易出現(xiàn)破壞的位置和產(chǎn)生破壞的方式。

（7）對孔隙周邊的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，孔隙內(nèi)部最可能產(chǎn)生破壞的情況討論，選取幾種孔隙內(nèi)部存在封閉縫隙的模型，對不同模型進(jìn)行計算，確定容易破壞的情形。

（8）通過試驗對瀝青的粘結(jié)性強(qiáng)度和瀝青與骨料之間的粘附性強(qiáng)度進(jìn)行了測量，與模擬計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，分析了瀝青混合料在飽水狀況下的破壞形式與位置。
 

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本文編號：10959