基于XFEM的半刚性基层沥青路面反射裂缝疲劳扩展研究

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1、学校代号10532学号S150100188分类号U416密级公开硕士学位论文基于XFEM的半刚性基层沥青路面反射裂缝疲劳扩展研究学位申请人姓名沈庆培养单位土木工程学院导师姓名及职称黄立葵教授学科专业交通运输工程研究方向路基路面工程论文提交日期2018年5月25日学校代号：10532学号：S150100188密级：公开湖南大学硕士学位论文基于XFEM的半刚性基层沥青路面反射裂缝疲劳扩展研究学位申请人姓名：沈庆导师姓名及职称：黄立葵教授培养单位：土木工程学院专业名称：交通运输工程论文提交日期：2018年5月25日论文答辩日期：2018年5月28日答辩委员会主席：陈昌富教授

2、ResearchonreflectivecrackfatiguepropagationofasphaltpavementswithsemirigidbasecoursebasedonXFEMbySHENQingB.E.(HunanUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringScienceinTransportationEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversity

3、SupervisorProfessorHUANGLikuiMay,2018湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以

4、将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密□，在______年解密后适用本授权书。2.不保密。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I基于XFEM的半刚性基层沥青路面反射裂缝疲劳扩展研究摘要反射裂缝是半刚性基层沥青路面的主要病害。基层材料由于较大的刚度和本身的收缩特性极易发生开裂，一旦基层开裂，在反复温度收缩作用及交通荷载的作用下，由于应力集中基层裂缝上方的面层材料也会发生开裂并快速扩展到面层顶部，使沥青路面发生反射裂缝贯穿破坏。新近发展的扩展

5、有限元方法在研究裂缝及裂缝扩展方面有不可替代的优势。扩展有限元使裂纹的几何模型与有限元单元网格分离开来，在裂纹扩展过程中不需要反复的网格重构，能高效地对不连续问题进行分析计算。使用扩展有限元模拟计算时，裂纹可以从单元内部穿过，无需提前设置扩展路径。为了描述裂缝疲劳扩展过程，本文采用了断裂力学中的相关思想与方法。通过断裂能释放率改进的Paris公式可以将疲劳裂纹扩展分为三个过程：裂纹低速扩展阶段、裂纹中速稳定扩展阶段和裂纹快速扩展阶段。为了更加准确地描述裂纹疲劳扩展起始阶段，本文采用了一种现象法模型。一旦该模型条件被满足，裂缝疲劳扩展机制就被启动，之后的扩展过程由改进的

6、Paris公式参数控制。基于扩展有限元方法和改进的Paris公式，本文模拟计算了相关文献中关于室内沥青混合料半圆弯曲小梁疲劳扩展的试验，模拟结果和试验结果吻合度很高，表明本文的裂缝疲劳扩展模型可以应用于沥青混合料类材料的疲劳性能分析。在此基础上，首先分析了基层温度收缩条件下面层反射裂缝疲劳扩展规律，实现了反射裂缝在面层内部的自由扩展，得到了反射裂缝扩展长度随基层温度收缩作用次数的关系，并研究了改变相关路面结构参数及材料参数对温缩型反射裂缝疲劳扩展的影响。其次模拟了交通荷载偏载作用下反射裂缝的动力响应情况，结果表明单纯的交通荷载偏载作用不是反射裂缝扩展的主要动力，交通荷

7、载偏载对反射裂缝疲劳扩展的主要影响是使反射裂缝由单纯的Ⅰ型张开扩展转为Ⅰ-Ⅱ型复合扩展。最后，模拟了基层温度收缩和交通荷载偏载耦合作用下反射裂缝疲劳扩展情况，结果表明，耦合作用下半刚性基层沥青路面反射裂缝将发生复合型斜裂缝扩展，耦合作用下反射裂缝的疲劳寿命和单纯基层温度收缩情况下疲劳寿命相差不大，可见影响半刚性基层沥青路面反射裂缝疲劳扩展寿命的主要因素是基层材料温度收缩的反复作用。关键词：半刚性基层沥青路面；反射裂缝；扩展有限元；断裂能释放率；Paris公式；裂纹扩展；疲劳寿命II硕士学位论文AbstractReflectivecrackisthem