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基于有限元的半刚性基层沥青路面裂缝断裂力学分析
摘要
本文利用有限元法对半刚性基层沥青路面的裂缝断裂力学进行了分析。首先介绍了半刚性基层沥青路面的结构、裂纹形式和力学特性，并分析了裂纹扩展的原因。然后建立了有限元模型进行分析，并根据模型分析出了应力、应变、位移和应力强度因子等相关参数。最后通过分析结果得出裂缝扩展的规律，并给出了预防裂纹扩展的措施。
关键词：半刚性基层沥青路面；有限元法；裂纹；应力强度因子；裂纹扩展规律
Abstract
Inthispaper,thefracturemechanicsofsemi-rigidbaseasphaltpavementcracksareanalyzedbyusingfiniteelementmethod.Firstly,thestructure,crackformandmechanicalpropertiesofsemi-rigidbaseasphaltpavementareintroduced,andthereasonforcrackpropagationisanalyzed.Then,afiniteelementmodelisestablishedforanalysis,andrelevantparameterssuchasstress,strain,displacementandstressintensityfactorareanalyzedaccordingtothemodel.Finally,theregularityofcrackpropagationisobtainedthroughtheanalysisresults,andmeasurestopreventcrackpropagationaregiven.
Keywords:Semi-rigidbaseasphaltpavement;Finiteelementmethod;Crack;Stressintensityfactor;Crackpropagationregularity
1.引言
半刚性基层沥青路面是一种常用的道路结构形式，具有较好的承载能力和稳定性。然而，在使用过程中，由于各种原因，如温度变化、车辆荷载等，会出现裂纹，进而引起路面的破坏和变形，影响行车安全和路面使用寿命。
因此，对半刚性基层沥青路面的裂纹断裂机理进行分析，有助于了解路面破坏的原因，预测路面的寿命和提高路面的使用效率。本文采用有限元法对半刚性基层沥青路面裂纹的断裂力学进行分析，通过模拟裂纹扩展过程，得出裂纹扩展规律，并提出了一些预防裂纹扩展的措施。
2.半刚性基层沥青路面裂纹形式及机理分析
2.1半刚性基层沥青路面结构
半刚性基层沥青路面的结构一般由上至下依次为面层、粘结层、基层和地基。其中，面层主要承受车辆荷载和气象因素对路面的磨损和影响；粘结层主要起粘结作用，将面层和基层牢固连接在一起；基层主要承受车辆荷载，并通过传递车辆荷载至地基，保证路面的稳定性。
2.2半刚性基层沥青路面裂纹形式分析
半刚性基层沥青路面的裂纹形式主要有两种：疲劳裂纹和热裂纹。
（1）疲劳裂纹
疲劳裂纹是由于车辆荷载频繁作用而引起的路面疲劳断裂，表现为沿纵向或横向方向出现的细小裂纹。当车辆荷载作用于路面时，路面会发生弯曲和拉伸变形，同时产生应力集中现象，从而导致路面材料的疲劳破坏。
（2）热裂纹
热裂纹是由于温度变化引起的路面断裂，表现为沿纵向或横向方向出现的宽大裂缝。当路面材料受到高温作用时，会发生热胀冷缩现象，由于温度变化较快，会导致路面材料内部产生应力集中，从而引起裂纹的产生和扩展。
2.3半刚性基层沥青路面裂纹扩展机理分析
半刚性基层沥青路面裂纹的扩展机理可以用线弹性断裂力学模型进行描述。一般情况下，裂纹在路面内扩展时，会产生应力集中现象，从而引起裂纹的扩展，因此，裂纹的扩展速度与应力强度因子有关。
应力强度因子是描述裂纹尖端应力集中程度的一种参数，它被定义为在单位位移量下尖端的应力范围。由于气象因素、车辆荷载和路面使用时间等因素的影响，裂纹尖端应力强度因子会发生变化。通常情况下，当应力强度因子超过一定值时，裂纹就会扩展，直到引起路面的破坏。
3.有限元分析模型建立及分析过程
3.1有限元模型建立
对半刚性基层沥青路面进行有限元分析时，需将路面分成多层，建立相应的模型，如图1所示。
图1半刚性基层沥青路面有限元分析模型
3.2分析过程
通过有限元分析软件对该模型进行分析时，需输入相应的物理参数，如路面材料的弹性模量、泊松比、桥面厚度等，以及车辆荷载和气象因素的载荷参数。然后对模型进行开始计算，得出模型的应力、应变、位移和应力强度因子等计算结果。
4.分析结果及建议
根据有限元模型分析结果可以得到，当应力强度因子达到一定值时，裂纹就会扩展，并通过有限元法模拟出