论文总字数：28048字

摘 要

受道路环境影响与路面轮载作用，沥青路面在使用期间会产生很多不同类型的裂缝，路面水通过裂缝渗入路面结构内部乃至路基内部，严重降低路面的使用性能。沥青路面的渗透特性是直接影响路面使用寿命的最重要因素之一。本课题围绕饱水沥青路面裂缝渗流行为过程，采用理论与数值仿真分析相结合的方法，分析识别路面裂缝的扩展类型，以其内部渗流行为的差异性为依据进行分类；对裂缝产生的控制因素以及影响因素进行分工况模拟研究；通过对不同渗流荷载、行车速度以及渗透性的路面的裂缝产生造成的影响进行分析，以及对裂缝产生的位置进行预估。

结果表明：由于超孔隙水压力以及纵向应力的作用，出现裂缝的时间顺序为下面层底部、下面层顶部、上面层底部、上面层顶部。在同一深度中，出现裂缝的顺序为C（两车轮荷载之间的中心点）、D（B、C两点的中心点）、B点（车轮荷载内侧边缘）、A（车轮荷载的中心点）。产生的裂缝类型为扩散贯通型以及扩散非贯通型。对于收缩型裂缝，它能够在下面层顶部以及底部扩展。此结论可以为路面病害类型的早期诊断、沥青路面裂缝有效处治提供参考。

关键词：沥青路面；裂缝；渗流；ABAQUS软件；有限元

ABSTRACT

Affected by the road environment and the wheel load of the road, the asphalt pavement will produce many different types of cracks during use. The pavement water penetrates into the interior of the pavement structure and even the interior of the roadbed through the cracks, which seriously reduces the performance of the pavement. The permeability of asphalt pavement is one of the most important factors that directly affect the service life of pavement. This paper focuses on the process of crack infiltration of saturated asphalt pavement. The combination of theoretical and numerical simulation analysis is used to analyze the types of cracks in pavement cracks. The classification is based on the difference of internal infiltration trends. The controlling factors of cracks are generated. And the influencing factors are used to simulate the sub-conditions; the impacts on the cracks on the pavement with different seepage loads, driving speed and permeability, and the location of the cracks are estimated, which is the early diagnosis of the types of pavement diseases.

The results show that due to the effect of excess pore water pressure and longitudinal stress, the time sequence of cracks appears as the bottom of the lower layer, the top of the lower layer, the bottom of the upper layer, and the top of the upper layer. In the same depth, the order of occurrence of cracks is C (the center point between the two wheel loads), D (the center point of the two points of B and C), point B (the inner edge of the wheel load), and A (the center point of the wheel load) ). The types of cracks generated are diffusion through type and diffusion non-through type. For shrinkage cracks, it can expand at the top and bottom of the underlying layer. This conclusion can provide reference for the early diagnosis of pavement disease types and the effective treatment of asphalt pavement cracks.

Keywords: asphalt pavement; crack; seepage; ABAQUS; Finite element

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 背景和意义 1

1.2主要工作 1

第二章 沥青路面裂纹形态与裂隙渗透研究 4

2.1裂缝渗流以及水压力 4

2.2裂缝 5

2.2.1收缩贯通型裂缝 5

2.2.2扩散贯通型裂缝 5

2.2.3扩散非贯通型裂缝（倒V型） 6

第三章 理论基础 7

3.1饱和渗流模型 7

3.1.1渗流基本定律 7

3.1.2多孔介质基本控制方程 8

3.1.3沥青路面动力学基本理论 8

3.2水流在裂缝中的渗流行为 8

3.3动荷载下的水压力分布 9

3.4断裂力学基本原理 10

3.4.1裂缝的基本类型 10

3.4.2断裂力学基本参数 11

3.4.3断裂能 11

第四章 饱水路面有限元模型 12

4.1基本假设 12

4.2几何结构 12

4.3材料参数 12

4.4边界条件 13

4.5 荷载条件 13

4.6工况条件 13

4.6.1 荷载大小 14

4.6.2 行车速度 14

4.6.3 路面渗透性 14

4.6.4 工况组合 15

4.7裂缝设置 15

4.8模型的验证 16

第五章 计算结果分析 18

5.1选取计算指标 18

5.2超孔隙水压力 18

5.2.1荷载大小的影响 18

5.2.2行车速度的影响 21

5.2.3渗透系数的影响 23

5.3行车方向的应力 25

5.3.1荷载大小 28

5.3.2行车速度 29

5.3.3渗透系数 31

5.4超孔隙水压力以及纵向应力对裂缝影响的综合考虑 33

5.4.1上面层顶部、底部 33

5.4.2下面层顶部 33

5.4.3下面层底部 34

5.4.4总结 35

第六章 结论与展望 36

6.1结论 36

6.2展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪论

1.1 背景和意义

受道路环境影响与路面轮载作用，沥青路面在使用期间会产生很多不同类型的裂缝，初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能通常无明显影响，但随着表面雨水或雪水的侵入，在行车荷载作用下，路面水通过裂缝渗入路面结构内部乃至路基内部，对路面结构造成损害，严重降低路面的使用性能^[1]。另一方面，沥青路面裂缝通常会使路面内部的水流动路径的连通性增强，增加了沥青混合料的渗透性，在水分的侵蚀与路面荷载联合作用下，裂缝的形貌特征会进一步演化，严重影响了路面结构的稳定性。因此，沥青路面裂缝中水分的渗流特征关系着裂缝的扩展演化过程，进而影响路面使用寿命。

我国现行沥青路面结构设计计算中假设沥青混合料为单相均质材料，不考虑水与荷载共同作用对沥青路面的稳定性和耐久性的影响^[2]。但是在道路的实际使用中，荷载与水的共同作用对路面的破坏是不可忽略的。如果路面已经存在裂缝，路面表面的水分就会从裂缝渗入道路其他结构层。因此，有必要对水和荷载的共同作用对路面结构造成的影响进行研究。在水和荷载的作用下，裂缝产生的重要控制因素有由于荷载造成的纵向拉应力以及由于荷载和水共同作用引起的超孔隙水压力。饱水沥青路面裂缝内部的静水压力分布受裂缝形貌特征影响显著，为分析不同扩展裂缝内部的渗水过程，首先应明确裂缝内部的静水压力分布特征。所以，有必要通过控制因素预估路面形成的裂缝形状以及位置，为裂缝中的渗流提供参考。加之路面轮载作用对路面渗流过程的影响不可忽略，开展面向不同的荷载对路面渗流以及开裂的影响的研究是十分必要的，这对于明确路面裂缝的演化扩展过程，有效识别早期路面病害等有一定的现实意义。

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