• ISSN 0258-2724
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移动荷载下含纵横向双裂纹沥青路面复合断裂特性

艾长发 徐铖 任东亚 郭玉金 阳恩慧

艾长发, 徐铖, 任东亚, 郭玉金, 阳恩慧. 移动荷载下含纵横向双裂纹沥青路面复合断裂特性[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(1): 128-135. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.016
引用本文: 艾长发, 徐铖, 任东亚, 郭玉金, 阳恩慧. 移动荷载下含纵横向双裂纹沥青路面复合断裂特性[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(1): 128-135. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.016
AI Changfa, XU Cheng, REN Dongya, GUO Yujin, YANG Enhui. Characterization of Vertical and Horizontal Propagations of Double Cracks in Asphalt Pavements under Moving Loads[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(1): 128-135. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.016
Citation: AI Changfa, XU Cheng, REN Dongya, GUO Yujin, YANG Enhui. Characterization of Vertical and Horizontal Propagations of Double Cracks in Asphalt Pavements under Moving Loads[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(1): 128-135. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.016

移动荷载下含纵横向双裂纹沥青路面复合断裂特性

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.016
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51378438

详细信息
    作者简介:

    艾长发(1975-), 男, 教授, 博士, 研究方向为路面结构与材料, 电话:13678097261, E-mail:cfai@home.swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U416.217

Characterization of Vertical and Horizontal Propagations of Double Cracks in Asphalt Pavements under Moving Loads

  • 摘要: 为了研究移动荷载作用下沥青路面的复合开裂的变化规律,基于断裂力学及有限元数值模拟方法,考虑沥青面层材料的粘弹性,分别研究了移动荷载作用下不同双裂纹间距、不同反射裂纹深度对面层top-down(纵向)、基层反射(横向)裂纹应力强度因子的影响,探讨了其开裂扩展特性,评估了不同移动荷载状态下面层top-down裂纹的断裂疲劳寿命.结果表明:移动荷载作用下,面层top-down裂纹以Ⅱ型扩展为主,在单裂纹及双裂纹间距为0时,分别对应其扩展最严重与最轻微情形,但双裂纹间距及反射裂纹深度对其扩展影响较小;对于基层反射裂纹,当双裂纹间距为400 mm时,最易发生Ⅰ、Ⅱ型开裂扩展,随着反射裂纹深度的增加,扩展程度也逐渐增大;不同移动荷载状态下的top-down复合型裂纹断裂疲劳寿命长短顺序为:高速最长,次之静态、低速制动最短,制动情形下的疲劳寿命仅为高速情形下的20.4%.

     

  • 图 1  模型示意(单位:m)

    Figure 1.  Structure model (unit: m)

    图 2  有限元模型

    Figure 2.  FEM model

    图 3  BZZ-100荷载

    Figure 3.  BZZ-100 load

    图 4  反射裂纹计算点位示意

    Figure 4.  Schematic of the reflective crack calculation point

    图 5  top-down裂纹计算点位示意

    Figure 5.  Schematic of the top-down crack calculation point

    图 6  不同裂纹间距下top-down裂纹Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子时程曲线

    Figure 6.  TypeⅠ, Ⅱ, and Ⅲ stress intensity factor-time history curves of a top-down crack for different crack spacings

    图 7  不同裂纹间距下Keff变化规律

    Figure 7.  Keff variation diagram for different crack spacings

    图 8  不同裂纹间距下反射裂纹应力强度因子时程曲线

    Figure 8.  Stress intensity-time history curve of a reflective crack for different crack spacings

    图 9  不同C2下top-down裂纹Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子时程曲线

    Figure 9.  TypeⅠ, Ⅱ, and Ⅲ stress intensity factor-time history curves of a top-down crack under different C2

    图 10  不同反射裂纹深度下Keff变化规律

    Figure 10.  Keff variation diagram for different reflection crack depths

    图 11  不同反射裂纹深度下反射裂纹应力强度因子时程曲线

    Figure 11.  Stress intensity factor-time history curves of a reflective crack for different crack depths

    表  1  路面结构各层参数

    Table  1.   Material parameters of different pavement layers

    材料 层位 动态模量/MPa 泊松比密度/
    (kg·m-3)
    沥青混凝土 面层 0.25 2 400
    水泥稳定碎石 基层 15 000 0.20 2 200
    水泥稳定碎石 底基层 13 000 0.20 2 100
    土基 土基 100 0.35 1 800
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    表  2  面层Prony级数模型参数

    Table  2.   Prony parameters of the surface material

    参数 瞬态弹性模量E0=18 GPa
    松弛时间/s 0.2 2.0 20.0 2×102 2×103 2×104 2×105 2×106
    弹性模量/MPa 628.4 1 005.5 5 020.3 6 655.9 2 806.9 719.0 735.5 327.7
      注:表中材料参数为-5 ℃条件下的取值.
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    表  3  不同计算点位Keff峰值

    Table  3.   Keff maxima of different calculation points

    计算点位 1 2 3 4 5 6
    Keff峰值/(kPa·m1/2) 4.646 45.978 45.903 46.061 46.222 54.497
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    表  4  不同裂纹间距下反射裂纹Keff峰值

    Table  4.   Keff maxima for different crack spacings

    裂纹间距/mm 0 100 200 300 400 500
    Keff/(kPa·m-0.5) 18.075 17.371 16.534 18.202 18.723 17.102
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    表  5  不同C2下反射裂纹Keff峰值

    Table  5.   Keff maxima of a reflective crack under different C2

    C2/cm 4 6 8 10 12
    Keff/(kPa·m0.5) 10.454 13.199 14.851 18.075 19.003
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    表  6  不同荷载状态下Keff-max拟合多项式

    Table  6.   Keff-max fitting polynomials for different loads

    荷载种类 Keff-max拟合多项式 R2
    低速(36 km/h) Keff-max=-735.524C3+90.596 06C2-0.763 560 4C+0.357 484 348 0.999
    高速(108 km/h) Keff-max=-60.440 5C3-19.949 936 4C2+4.113 761 16C+0.263 089 809 2 0.980
    制动(-5 km/h) Keff-max=-420.575C3+48.547 26C2-0.450 745 24C+0.513 707 757 1 0.989
    静载 Keff-max=-856.497 5C3+102.035 361C2-0.809 021 737C+0.351 227 799 4 0.997
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    表  7  不同荷载状态下top-down裂纹疲劳寿命

    Table  7.   Top-down crack fatigue life under different loading conditions

    荷载种类 低速(36 km/h) 高速(108 km/h) 制动(-5 km/h) 静载
    N/次 1.228×108 2.011×108 4.110×107 1.246×108
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  • 收稿日期:  2016-09-24
  • 刊出日期:  2018-02-25

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