水泥稳定碎石结构层的流水冲刷模拟毕业论文

 2020-04-03 01:04

摘 要

水泥稳定碎石基层由于其强度高、整体性好、造价低等特点,已成为我国目前最主要的路面基层类型,在我国各等级公路中得到了广泛应用。目前水损坏被公认为是导致沥青路面早强破坏的首要因素,不仅大大影响了路面的使用性能、缩短了路面使用寿命,更影响了水泥稳定碎石基层的推广使用。因此,深入研究水泥稳定碎石水损害的机理,对于增强路面抗水性能具有重大意义。

本文根据国内外相关文献,分析总结了目前关于水泥稳定碎石裂缝水损害的研究现状。其次,进行了水泥稳定碎石基层配合比设计实验,分析实验数据提出优化后的配合比。

本文利用CAD软件和ABAQUS有限元软件建立了水泥稳定碎石带裂缝的有限元二维模型,通过边界条件的施加模拟水泥稳定碎石基层的工程实际状态,对裂缝所在面施加动水压力荷载,分析裂缝的扩展,发现高动水压力的冲刷作用直接造成裂缝的扩展,导致水泥稳碎石基层破坏失效。

关键词:水泥稳定碎石;裂缝;水损害;动水压力

Abstract

Because of its advantages of high strength, large bearing capacity, and low cost, cement stabilized macadam base has become the most important type of pavement base in China and has been widely used in various grades of highways in China. At present, water damage is recognized as the primary factor leading to early strong destruction of asphalt pavement, which not only greatly affects the performance of the road surface, shortens the service life of the road surface, but also affects the popularization and application of the cement stabilized macadam base layer. Therefore, an in-depth study of the mechanism of water damage to cement stabilized gravel is of great significance for enhancing the water resistance of the pavement.

Based on the relevant literature at home and abroad, this paper analyzes and summarizes the current research status of water damage caused by cement stabilized gravel. Secondly, the experiment of designing the mix ratio of the cement stabilized gravel base layer was carried out, and the optimized mix ratio was proposed.

In this paper, a two-dimensional finite element model of cracks in cement-stabilized lithotrips is established using CAD software and ABAQUS finite element software. The boundary condition is applied to simulate the actual engineering state of the cement stabilized macadam base and dynamic pressure loading is applied to the crack surface. Analyze the expansion of cracks and find that the scouring effect of high dynamic water pressure directly leads to the expansion of cracks, resulting in the failure of failure of the cement stabilized crushed stone base layer.

Key Words:Cement stabilized gravel; Cracks; Water damage; Dynamic pressure

目 录

第1章 绪论 1

1.1项目研究的意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.3 论文的主要研究内容 5

第2章 有限元理论分析 6

2.1 Biot固结理论 6

2.2有限元法求解 7

2.2.1ABAQUS稳态动力学分析 7

2.2.2粘聚带模型 8

第3章 配合比设计 13

3.1原材料调查 13

3.1.1 集料 13

3.1.2 水泥 13

3.2基层配合比实验 14

3.2.1集料级配设计 14

3.2.2底基层配合比设计实验 15

3.2.3基层配合比的设计实验 15

3.3推荐配合比 16

第4章 动水冲刷有限元模型 17

4.1有限元建模 17

4.1.1CAD草图绘制 17

4.1.2ABAQUS有限元细观模型 18

4.2加载分析 19

5.1结论 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1项目研究的意义

近半个世纪以来,我国经济飞速发展,城市道路和公路建设日益完善,其中高速公路里程更是呈爆发式增长,至2017年末我国公路总里程数已达477.35万公里,

比上年增加7.82万公里。其中,高速公路里程13.65万公里,增加0.65万公里;国家高速公路10.23万公里,增加0.39万公里。

水泥稳定碎石初期强度高,并且强度随龄期而增加很快结成板体,因而具有较高的强度,抗渗度和抗冻性较好,成活后遇雨不泥泞,表面坚实,整体性好,是高级路面的理想基层材料[1]。目前,水泥稳定碎石作为道路主要承重层在我国各级道路中广泛应用,特别是在高等级道路中使用范围更广。但研究人员发现许多高速公路投入使用两年甚至更短的时间后,路面出现大量破坏现象,同时道路基层内部也严重损害,不仅严重降低了公路耐久性和早期强度,加大了路面使用和维护成本,更阻碍了水泥稳定碎石基层的进一步推广。

伴随着水泥稳定碎石基层结构在我国公路中的大范围使用,其早期强度破坏问题日益突出,现已成为公路建设的一个主要难点。在对路面早期破损现象进行广泛调查的基础上,道路工作者通过分析、试验发现,与传统路面损害不同的是造成多路面早期强度破坏的因素大多与水有关,这些类型的损害通常被称为水损害。水泥稳定碎石由于以水泥为主要联结料,对施工工艺和施工管理环境有较高要求,极易产生早期裂缝,更易受动水侵蚀,在外部水流和内部渗流的共同反复作用下集料流失、剥落,出现大量松散、坑洞、唧浆等现象,从而破坏路面的整体性和密实性,给公路交通造成了巨大的影响,特别是在车辆行驶速度较高的地带后果更加严重。

当路表积水时,积水会沿着路面的坡度向道路两侧漫流,这样逐渐的在道路表面就会形成一层漫流水膜,降水的强度、路拱横坡和路表的粗糙度直接影响了水膜层的厚度,车辆行驶中碾压水膜层,水膜介于轮胎与路面中间,由于水膜不断地挤压轮胎和路面,会使水从轮胎的两侧和轮胎花纹的间隙排出,于是本来相对静态的水在挤压下产生了一个动态的、瞬时的水压力,称之为动水压力[2]。在驱动载荷和水膜的结合作用下,轮胎与路面之间的水使轮胎漂浮在路面的表面上。这将导致轮胎与路面之间的粘聚力减弱。同时,由于流体动压直接作用于路面,轮胎与路面之间存在的大量自由水在车辆负荷的作用下会通过裂缝、坑槽等渗透进入道路结构的内部。在车辆及其他载荷的耦合作用下动水不断冲刷路基,从而造成水损害等一系列破坏,后果是十分严重的。

图1.1龟裂

图1.2松散

图1.3坑槽

图1.4唧浆

由于水泥稳定碎石在世界范围内的大量推广和使用,目前水损害已成为影响路基路面最主要、危害最大的损害类型。道路的水损害不仅影响了公路质量,大大增加运营财务负担,更增加了交通事故发生概率、危害人民人身和财产安全。因此,分析水泥稳定碎石在动水压力作用下的冲刷和侵蚀破坏以及影响水泥稳定碎石防水性能的因素对于水泥路面基层的长期性研究具有重要意义。这对有效延长道路的使用年限,并使道路在其使用年限中为车辆提供优质的服务,从而降低道路养护和维修成本、节约资源,具有非常重要的作用和意义。

1.2国内外研究现状

在上个世纪六十年代,国外研究人员就开始研究沥青道路水损害的机理与防护,并得出一些颇具意义的成果,但由于水损害的形成原因太过复杂,至今还未定论。随着水泥稳定碎石基层的广泛应用,目前对于早期水损害的分析也不断深入。而近年来,国内外学者对于水泥稳定碎石的抗水冲刷及破坏做出了大量的科学研究。目前对于动水损害的研究主要分为以下两个方面:(1)动水压力破坏机理;(2)半刚性基层防水性能。

研究和防治基层的水损害问题,首先要明确水损害出现的位置以及其破坏的机理,造成水泥稳定碎石基层水损害的原因有很多,既包括水泥稳定碎石集料自身的因素,也包括外界环境的影响,所以至今动水压力对于水泥稳定碎石的损害机理研究仍在不断地探索研究之中。目前我们对半刚性基层动水破坏机理的认识,还停留在研究路面表层结构破坏的阶段,即研究主要停留在对宏观层面,对微观层面的研究还比较匮乏。而对于半刚性基层的抗冲刷性能研究,抗冲刷性指标和冲刷实验方法是两个最主要的方向。

李亚梅分别对城市道路基层干缩裂缝、温缩裂缝、网状裂缝和纵缝产生的原因进行了分析,并提出了从原材料、施工、养护和管理维护及施工协调控制等四个方面来控制裂缝的综合防治措施[3]

张鹏在分析半刚性基层裂缝形成机理的基础上,通过大量实验,提出了在水泥稳定碎石中掺加聚丙烯纤维来改善基层材料本身性能,从而提高半刚性基层抗裂性的措施[4]

Wei wang等研究了孔隙水饱和度对粉煤灰混凝土的力学性能的影响,随着孔隙水饱和度的增加,粉煤灰混凝土的回弹值先增加后减小,抗压强度降低,但超声速度和弹性模量均有所增加[5]

姜旺恒、张肖宁等针对现有模拟动水压力方法的不足,提出了以气压激发动水压力的模拟方法,并设计加工了动水冲刷实验系统,还专门设计了定向冲刷模式[6]

欧金秋通过理论分析首次研究了沥青混合料内水损坏,通过试验、理论和数值分析等综合手段,研究水动力和水物理化学稱合作用下水损坏的发生和发展机理,构建多机制下水损坏的损伤演化模型,提出渐进性水损坏的数值模拟方法,揭示多机制作用下水损坏对沥青路面使用寿命的影响[7]

沙庆林分析了动水破坏的内因和外因中以及密实式I型沥青混凝土透水原因,提出了减少水破坏的主要措施:沥青面层的各层都采用空气率不大于5%的密实沥青混凝土、提高沥青与矿料的粘结力、提高压实标准,增加现场空气率指标、路面结构中设排水层或防水层[8]

张景君提出了一种新的测定半刚性基层材料水稳定性的冲刷试验方法,通过冲刷实验发现造成道路半刚性基层材料试件水损害的直接原因是高动水压力的冲刷作用,在相同条件下动水压力值的大小很大程度取决于所受围压和轴压,同时动水压力对试件的冲刷作用是一个累积的过程,在以上研宄的基础上,考虑到道路的实际状况,提出了改善半刚性基层材料水稳定性的主要技术措施[9]

Wenbo Ren等研究了水浸后混凝土的动态力学性能,通过分离霍普金森压力棒系统对置于室内和水浸样品进行动态压缩测试,发现随着应变速率的增加,两类样品的动态强度和冲击韧性具呈现上升趋势,水浸样品的准静态强度下降[10]

魏鹏克从动水压力的形成、沥青混合料的渗透实验、动水压力作用下沥青路面内部孔隙水压力分布、动水压力下沥青路面的有限元分析、沥青混合料剥落机理研究及防治措施几方面入手,深入研究动水压力对沥青路面的破坏机理,结合沥青混合料粘附—剥落理论,分析动水压力下沥青路面结构的破坏以及防治措施[11]

盛艳萍在分析影响基层抗冲刷性能主要因素的基础上,提出了自由水的浸泡软化、静水压力下的溶蚀和动水压力下的冲刷等三阶段基层材料冲刷破坏过程,分析了各阶段水对基层材料的破坏机理[12]

周卫峰等分别用静压法及振动法进行了水泥稳定碎石混合料级配和配比的优化,并对优化结果进行了对比分析,研究发现用振动法优化的级配配比可显著提高半刚性基层的抗裂能力[13]

Maryam Shakiba认为快速交通荷载会导致沥青混凝土部分或完全饱和的互连裂缝和空隙内的孔隙水压力,诱导的孔隙压力会在路面内产生额外的应力并加速裂缝的扩展和扩展,而裂纹扩展促进水分通过固相扩散并加速沥青混凝土的时间依赖刚度和强度的降低,因此,必须考虑孔隙水压力,水分扩散和机械负荷对沥青混凝土路面的耦合效应[14]

黄立葵等通过研究发现水的渗入对材料设计参数的影响以及唧浆现象使结构层层间接触条件的改变是产生水损破坏的根本原因,合理设置水泥稳定碎石排水基层有利于减缓或者防止唧浆现象的出现,从而有利于使沥青面层和基层之间的层间接触状态维持连续状态,延缓沥青路面出现水损玻坏,延长沥青路面的使用寿命[15]

邓云潮等人通过冲刷试验研究了不同粉煤灰掺量对水泥粉煤灰稳定碎石混合料抗冲刷性能的影响规律,结果表明掺加一定量的粉煤灰可以明显改善水泥稳定碎石混合料的抗冲刷性能,最佳掺量为10%[16]

1.3 论文的主要研究内容

水泥稳定碎石基层在动水压力冲刷下形成的破坏是导致路面早期损坏的主要现象之一。本论文以宜阳一级公路为研究背景,通过实测实验分析影响水泥稳定碎石抗水冲刷性能的主要因素,同时利用通用有限元软件ABAQUS建立几何模型,加载流体模拟实际工程中动水对水泥稳定碎石基层的冲刷作用。具体研究内容如下:

1.收集整理了关于水泥稳定碎石基本性能和水破坏及防治研究的国内相关外著作、文献等,理解了水泥稳定碎石材料的工程背景和意义以及半刚性基层水损害机理。

2.完成水泥稳定碎石的配合比计算并成型试件进行实验,通过实验数据分析集料、水泥等设计参数对水泥稳定碎石防水性能的影响,优化配合比设计,得出最优水泥稳定碎石配合方案。

3.基于细观复合材料分析原理,运用CAD作图软件做出带裂缝的水泥稳定碎石试块草图,导入有限元软件ABAQUS建立水泥稳定碎石有限元二维模型,模拟分析水流对水泥稳定碎石的裂缝冲刷和侵蚀作用。

第2章 有限元理论分析

2.1 Biot固结理论

多孔介质的固结伴随着孔隙水被挤出,多孔介质内的空隙体积被压缩,多孔介质变得更致密。多孔介质的固结包括水的渗透和与土壤的耦合。多维固结理论Biot固结理论更完美地反映了孔隙水压力耗散与多孔介质骨架变形之间的关系,Biot固结理论的基本公式由连续微分方程和平衡微分方程组成。

孔隙流体的渗流规律遵循达西定律,达西定律表述为在层流的条件下,流体通过多孔介质内部的渗流速度与水力梯度满足相应的线性

公式中,v代表了流体的渗流速度;Q为通过介质的流量;A为过水的面积;k 为介质的渗透系数;gradH 为水力梯度,其中H为水头高度,,z是某指定参考面的高度,ρw是通过介质的流体密度。

多孔介质理论的应力平衡方程采用虚功原理来表示,作用在多孔介质上的作用力所产生的虚功等于多孔介质的虚功[17],即

上式中,t、f为面力和体力;、分别代表虚位移和虚应变。

增量形式表示的本构关系:

上式中,为弹塑性矩阵;为孔隙压力引起的固体颗粒压缩,仅在正方向上产生变形,没有剪方向上的变形,其具体表达式:

其中,。Biot微分方程的有效应力可表:

取,联立方程(2.2)和式(2.5),式(2.1)可表示为:

在以平面问题为例中,多孔介质中任意一点的平衡微=分方程为:

其中,σ、τ是有效应力,λ为多孔介质的饱和重度,p为空隙水压力。

通过多孔介质骨架的本构关系可以建立:

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