基于计算流体力学沥青路面水损害的细观分析

【摘要】随着我国高等级公路的建设和发展，半刚性基层沥青路面得到了广泛的应用。但是由于自然因素以及车辆荷载等因素，许多高速公路在通车数年之后，沥青面层就产生了大量麻面、松散、唧浆、坑洞、网裂等破坏现象，而多种破坏现象都与水有着直接或间接的关系。为此，我国道路工作者围绕水损害问题进行了大量的研究。很多人致力于水损坏的破坏机理，破坏程度，防护修补措施以及新型材料的研究，为了分析计算动水压力的大小以及时程变化情况，一部分研究人员致力于应用有限元计算方法模拟沥青路面结构，来分析沥青路面早期水损害的破坏机理。但是，很少有人从细观的角度分析沥青路面孔隙内部的压强分布以及动水作用下沥青混合料结构内部的应力分布情况。本文在前人研究的基础上结合计算流体力学，假设了沥青路面孔隙模型，对沥青路面孔隙内部流体的压强分布，流速分布，流场分布情况进行了分析，对孔隙周边的沥青混合料的应力分布进行了计算分析。并结合试验测得的沥青自身的粘结力和沥青与骨料之间的粘附力，判断沥青混合料早期水损害的形式与位置。第一，通过观察沥青路面孔隙分布情况，结合试件内部孔隙的形状，大小，连接孔隙的缝隙数量等因素，分析了沥青路面中孔隙可能存在的形式。并结合流体力学基本理论，通过对不同形状模型进行试算，建立了沥青路面孔隙的标准模型。第二，基于流体力学基本理论以及湍流理论，选取计算湍流的标准k计算模型，对沥青路面孔隙标准模型进行了计算分析。得到了沥青路面孔隙内液体压强的分布情况；探讨了沥青混合料有可能最先发生损伤的位置；对比了在连接孔隙的缝隙数量，尺寸以及连通性不同的情况下液体压强分布情况；对出口缝隙存在变径的情况进行了分析。对封闭缝隙存在于不同位置的六种情况进行了计算分析，研究了封闭缝隙位置对孔隙内部的压强分布造成的影响。第三，建立了流固耦合模型，应用单向耦合，计算了在随时间变化的载荷作用下沥青混合料的应力分布情况，通过对应力的大小和方向的分析，推断沥青混合料可能出现的破坏位置以及破坏的先后顺序。最后，利用前人的试验方法，测定了沥青的粘附力沥青与骨料之间的粘结力的大小。对比沥青混合料的受力情况，分析沥青混合料早期水损害的破坏形式。
【作者】张强；
【导师】郭学东；
【作者基本信息】吉林大学，道路与铁道工程，2014，硕士
【关键词】沥青路面；水损害；计算流体力学；流体压强；应力场分析；

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