發(fā)布時(shí)間：2014-12-31 11:20

 

【摘要】 隨著我國(guó)高等級(jí)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(chē)輛荷載等因素，許多高速公路在通車(chē)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(guó)道路工作者圍繞水損害問(wèn)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(jì)算動(dòng)水壓力的大小以及時(shí)程變化情況，一部分研究人員致力于應(yīng)用有限元計(jì)算方法模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)，來(lái)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(dòng)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(jì)算流體力學(xué)，假設(shè)了瀝青路面孔隙模型，對(duì)瀝青路面孔隙內(nèi)部流體的壓強(qiáng)分布，流速分布，流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了分析，對(duì)孔隙周邊的瀝青混合料的應(yīng)力分布進(jìn)行了計(jì)算分析。并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)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(guò)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(guò)對(duì)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(jì)算湍流的標(biāo)準(zhǔn)k計(jì)算模型，對(duì)瀝青路面孔隙標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了計(jì)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(duì)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(duì)出口縫隙存在變徑的情況進(jìn)行了分析。對(duì)封閉縫隙存在于不同位置的六種情況進(jìn)行了計(jì)算分析，研究了封閉縫隙位置對(duì)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(jì)算了在隨時(shí)間變化的載荷作用下瀝青混合料的應(yīng)力分布情況，通過(guò)對(duì)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(yàn)方法，測(cè)定了瀝青的粘附力瀝青與骨料之間的粘結(jié)力的大小。對(duì)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(lái)，我國(guó)的高速公路的建設(shè)得到迅猛發(fā)展，通車(chē)?yán)锍滩粩嘣黾�，公路運(yùn)輸已成為我國(guó)最主要的交通運(yùn)輸形式之一。但是隨著交通量和車(chē)輛荷載的激增，我國(guó)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(lái)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(jì)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(shí)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(shí)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(guó)的瀝青路面的設(shè)計(jì)年限多為15-20 年，但目前通車(chē)一段時(shí)間后，高速公路瀝青路面無(wú)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(guó)南方，常年雨水較多，如果瀝青路面底層排水不良，將會(huì)導(dǎo)致瀝青路面內(nèi)存水，經(jīng)過(guò)車(chē)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(wèn)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(wú)法及時(shí)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(kāi)裂，同時(shí)由于反復(fù)凍融，會(huì)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(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)水損害問(wèn)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(guò)試驗(yàn)或者數(shù)值模擬等方法對(duì)瀝青路面的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而找出防治瀝青路面早期水損害的方法，同時(shí)人們?cè)诼访嬖囼?yàn)中采用了許多新技術(shù)如采用 SHAP 瀝青評(píng)價(jià)技術(shù)SUPERPAVE 的混合料設(shè)計(jì)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(méi)有從根本上解決早期水損害問(wèn)題，甚至根本沒(méi)有一套完善的評(píng)價(jià)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(huì)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(wú)法及時(shí)排除，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下將會(huì)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(wú)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(chē)輛荷載的不斷作用下，瀝青剝落析出，同時(shí)在車(chē)輛的帶動(dòng)下，表面析出的瀝青將會(huì)被推移，進(jìn)而產(chǎn)生轍槽，嚴(yán)重時(shí)，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(chē)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(guò)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(lái)不及透過(guò)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的車(chē)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(chē)輛的帶動(dòng)下會(huì)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(xiàng)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(gè)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(shí)驗(yàn)的兩個(gè)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(duì)于不考慮粘性的理想流體流動(dòng)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(yàn)結(jié)果和真實(shí)流動(dòng)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(dòng)問(wèn)題，發(fā)展了高度經(jīng)驗(yàn)性的一門(mén)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(kāi)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(gè)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(guó)工程師普朗特提出了邊界層理論，對(duì)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(shí)驗(yàn)完美地統(tǒng)一起來(lái)，從而使流體力學(xué)的兩個(gè)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(shí)代的發(fā)展。

2.1.1  流體力學(xué)基本方程

對(duì)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(duì)滑移，即存在剪切變形，流體內(nèi)部便會(huì)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(dòng)的實(shí)際流體中總會(huì)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(dòng)為非粘性流動(dòng)，或者是理想流體流動(dòng)，這里面所說(shuō)的理想流體就是沒(méi)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(jì)算過(guò)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(jì)算方程基本推導(dǎo)過(guò)程，為之后的計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。

（3）介紹了計(jì)算流體力學(xué)軟件 CFD-ACE+基本情況以及主要技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)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(jì)算中應(yīng)用的三個(gè)模塊，流體模塊、湍流模塊、應(yīng)力模塊，并且分別給出了各個(gè)模塊計(jì)算的基本理論和湍流模塊的主要計(jì)算模型。 

 

第3 章  瀝青路面孔隙穩(wěn)態(tài)計(jì)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(duì)計(jì)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(jì)算模型.............43

5.1.1  荷載的施加..............43

 

第 6 章 試驗(yàn)分析

 

我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)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(guò)水煮法評(píng)價(jià)瀝青混合料的粘結(jié)性能[42]，但是水煮法的試驗(yàn)技術(shù)較難控制，且通過(guò)目測(cè)方法很難進(jìn)行精確地評(píng)估瀝青脫落的面積；另一種方法是基于粘附功的測(cè)試方法，通過(guò)測(cè)試瀝青開(kāi)裂面的張力和角度計(jì)算粘附功，根據(jù)粘附功的值確定粘附效果。

還有人通過(guò)直接測(cè)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(cè)試方法尤為重要。目前，可以使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)粘結(jié)力進(jìn)行測(cè)試，但使用中存在調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及操作不方便等問(wèn)題。

本文中采用吉林大學(xué)鄭傳峰副教授自制的液壓測(cè)量拉伸裝置以及相應(yīng)測(cè)量方法對(duì)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(cè)量。

 

6.1  試驗(yàn)原理

該試驗(yàn)是采用 HC-40 的液壓力測(cè)量裝置和自行設(shè)計(jì)的測(cè)試管芯來(lái)測(cè)試礦料接觸面的拉伸荷載。計(jì)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(kāi)級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度TR 進(jìn)行對(duì)比，之后用一個(gè)相應(yīng)的計(jì)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(guò)試驗(yàn)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(cè)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(jì)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(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)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(guò)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(guò)計(jì)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(chǎng)分布情況等。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上對(duì)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(duì)新建立的模型進(jìn)行了計(jì)算分析。對(duì)出口縫隙存在變徑的情況進(jìn)行了計(jì)算和詳細(xì)地分析。

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

（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(duì)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(duì)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(guò)計(jì)算確定流固耦合模型的固體部分的長(zhǎng)度，建立之后計(jì)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(kāi)裂縫隙，對(duì)液體流動(dòng)區(qū)域內(nèi)存在的開(kāi)裂縫隙的模型計(jì)算分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果提取瀝青混合料的應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)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(duì)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(duì)不同模型進(jìn)行計(jì)算，確定容易破壞的情形。

（8）通過(guò)試驗(yàn)對(duì)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(cè)量，與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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。
 

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣澤民,高俊啟,季天劍,盛余祥,張春海,徐姣.  壓電傳感器測(cè)量路面動(dòng)水壓力研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng). 2012(04)
[2] 謝昭彬,薛明,易文,何佼龍.  空隙率與橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)系[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2011(08)
[3] 王莉,李智,姜旺恒,張肖寧.  新型瀝青路面動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版). 2010(09)
[4] 錢(qián)亮,黃延,孫嬌娜.  基于光纖光柵的路面動(dòng)水壓力測(cè)量試驗(yàn)研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào). 2010(26)
[5] 肖軍.  高等級(jí)公路瀝青路面水損害原因及處治措施[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版). 2010(01)
[6] 周長(zhǎng)紅,陳靜云,王哲人,喬英娟.  瀝青路面動(dòng)水壓力計(jì)算及其影響因素分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2008(05)
[7] 崔新壯,金青.  輪載作用下飽水瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng)[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2008(05)
[8] 韓向科,錢(qián)若軍.  流體力學(xué)基本理論研究綜述[J]. 空間結(jié)構(gòu). 2008(03)
[9] 董澤蛟,曹麗萍,譚憶秋,鄭好.  表面排水條件對(duì)飽水瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的影響分析[J]. 公路交通科技. 2008(01)
[10] 董澤蛟,譚憶秋,曹麗萍,鐘陽(yáng).  水-荷載耦合作用下瀝青路面孔隙水壓力研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2007(10)



本文編號(hào)：10959