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        瀝青混凝土路面局部支承劣化的數(shù)值模擬

        2023-11-30 12:36:36曹一凡李香香馬云祥
        中國民航大學(xué)學(xué)報 2023年5期
        關(guān)鍵詞:深度區(qū)域混凝土

        戴 軒,曹一凡,李香香,李 朝,馬云祥

        (1.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300300;2.新疆機場(集團)有限責(zé)任公司烏魯木齊國際機場分公司,烏魯木齊 830054)

        瀝青混凝土作為柔性路面材料,對路面基層局部強度劣化的抵抗能力較弱,瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境影響下易發(fā)生病害,導(dǎo)致路面使用性能劣化,威脅路面安全運營[1]。目前國內(nèi)外關(guān)于路面結(jié)構(gòu)局部強度劣化的研究大多針對水泥混凝土路面。國洋[2]建立機場剛性道面板底脫空有限元模型,并分析了彎沉隨主要影響因素的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)彎沉與脫空尺寸呈二次函數(shù)關(guān)系。周海軍等[3]基于水泥混凝土路面板底脫空力學(xué)機理進(jìn)行有限元分析,認(rèn)為水泥混凝土路面的板底脫空等同于地基剛度系數(shù)的削減。戴軒等[4]研究了脫空尺寸對機場剛性道面使用壽命的影響,目前機場剛性道面脫空的評價主要采用彎沉比指標(biāo)進(jìn)行[5]。

        剛性路面基層強度劣化主要體現(xiàn)為局部脫空[4],而柔性路面則表現(xiàn)為基層或土基的局部劣化[6-8]。路面基層或土基局部劣化主要通過自下而上(如下穿隧道)或自上而下(如降雨侵蝕引發(fā)的唧泥)兩種方式產(chǎn)生,當(dāng)路面基層下部進(jìn)行淺埋隧道或管道工程開挖時,會對周圍巖土體造成擾動,地層損失會引發(fā)路面支承強度的降低。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為,由于開挖卸載效應(yīng),隧道周圍地層的應(yīng)力狀態(tài)將會發(fā)生明顯改變,松動區(qū)不斷擴展,最終將影響上部路面的支承;此外,基坑工程滲漏導(dǎo)致的地層水土流失也是引發(fā)路面支承條件劣化甚至塌陷的原因[10]。瀝青路面自上而下的劣化主要由降水引發(fā),降水容易穿過瀝青層進(jìn)入路面內(nèi)部,并導(dǎo)致基層與路基(道基)的水損害和強度降低[11]。文獻(xiàn)[12]在對國內(nèi)多條公路病害進(jìn)行歸納分析的基礎(chǔ)上,總結(jié)了瀝青路面水損害的內(nèi)因和外因。文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)不同含水量以及不同干濕循環(huán)次數(shù)會顯著影響道路基層的強度。然而上述研究大多針對材料性能本身,尚未對瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同劣化條件下的表現(xiàn)開展系統(tǒng)研究。

        與水泥混凝土路面相比,瀝青混凝土路面具有平整、抗滑、舒適、減震等良好的適應(yīng)性能和機械化施工程度高、工期短、養(yǎng)護方便等施工優(yōu)點[14],然而其耐久性與使用壽命亟待提升,亟需進(jìn)行針對性分析。為此,本文針對路面下基層不同劣化條件,采用FLAC3D 有限差分軟件建立數(shù)值分析模型,以探究局部基層劣化對瀝青混凝土路面彎沉與應(yīng)力的影響規(guī)律,可為提升瀝青混凝土路面運行安全提供參考。

        1 數(shù)值分析模型與分析工況

        數(shù)值分析模型如圖1 所示,模型尺寸為20 m×20 m×26 m,自上而下由面層、基層和土基3 部分組成。根據(jù)文獻(xiàn)[15]研究表明,在常規(guī)脫空條件下,模型高度超過25 m 可滿足計算精度要求。設(shè)置瀝青混凝土面層網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m,其他各層網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m。模型四周約束法向位移,底部約束切向和法向位移。瀝青路面具有彈塑性[16],因此面層、基層與土基均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。當(dāng)路基土發(fā)生劣化時,填料的含水率上升、壓實度降低,裂隙的發(fā)展使填料的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,材料的回彈模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角均會有所減小[17],而回彈模量的減小意味著材料的彈性模量也會減小。通過對劣化區(qū)材料的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角乘以不同的劣化系數(shù)來實現(xiàn)面層下局部區(qū)域劣化。劣化系數(shù)表示如下

        圖1 數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical simulation model

        式中:α1、α2、α3分別為彈性模量劣化系數(shù)、黏聚力劣化系數(shù)和內(nèi)摩擦角劣化系數(shù);E、c、φ 分別為劣化后的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角;E0、c0、φ0分別為初始的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角。劣化系數(shù)越小,表明劣化程度越大。為簡化計算,本文假定α1、α2、α3取統(tǒng)一折減系數(shù)α,盡管各參數(shù)劣化水平可能不盡相同,但統(tǒng)一的折減系數(shù)仍可描述路基劣化情況。

        數(shù)值模擬主要結(jié)構(gòu)層的物理力學(xué)參數(shù)參照文獻(xiàn)[18]的試驗結(jié)果選取,如表1 所示。

        表1 數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of numerical simulation

        選用普通重載情況下的胎壓(1.0 MPa)進(jìn)行加載,運用等效原理將矩形和兩個半圓所組成的輪胎與路面的接觸輪廓轉(zhuǎn)化為一個矩形[19],選擇3 種常用軸載的車輛來模擬對路面的荷載作用[20-21],不同軸載車輛的軸型和輪載位置如圖2 所示。

        圖2 輪載位置Fig.2 The location of hub

        數(shù)值模擬的分析變量包括劣化系數(shù)、劣化面積、劣化深度,數(shù)值模擬采用控制變量法,即分析某種參數(shù)變化時,其余變量保持不變。對于劣化系數(shù)α,從0~0.9間隔0.1 取值,共分析10 種工況(劣化面積為3.0 m×3.0 m、劣化深度為6.6 m);對于劣化深度h,分為0.6、1.6、2.6、3.6、4.6、5.6、6.6 m 共7 種工況;對于劣化面積A,分為0.5 m×0.5 m、1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.0 m×2.0 m、2.5 m×2.5 m、3.0 m×3.0 m 共6 種工況。

        2 路面支承劣化影響分析

        2.1 受力特征

        路面下方劣化面積為3.0 m×3.0 m、劣化深度為6.6 m、劣化系數(shù)為0.1 時的應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖3 所示。輪載作用點處承受的最大壓應(yīng)力為380.5 kPa,面層輪載作用范圍外產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力,最大可達(dá)27.0 kPa。應(yīng)力影響范圍為輪載兩側(cè)各5 m 內(nèi),影響主要深度為0.6 m。圖3(b)為應(yīng)變云圖,從圖中可明顯看出在輪載作用處出現(xiàn)壓應(yīng)變,加載區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)變。與應(yīng)力不同的是,劣化區(qū)域下方的土層中形成了明顯的應(yīng)變泡,荷載兩側(cè)6 m 范圍內(nèi)都受到影響,影響深度可達(dá)9 m,最大拉應(yīng)變?yōu)?.84×10-4。

        圖3 支承劣化引發(fā)的道路結(jié)構(gòu)與地層應(yīng)力變化Fig.3 Changes of road structure and formation stress caused by support deterioration

        圖4 為不同劣化系數(shù)下瀝青混凝土的塑性區(qū)發(fā)展變化,由圖4 可知,當(dāng)劣化系數(shù)為0.1 時,路面在強度劣化范圍內(nèi)的大部分區(qū)域為持續(xù)受剪屈服,在強度劣化區(qū)域的周邊存在小部分的曾受剪屈服區(qū)域,而基層和底基層處于曾受拉屈服和持續(xù)受拉屈服的狀態(tài)。地層屈服區(qū)域呈“倒三角型”分布,且面層并未發(fā)生屈服,同時支承劣化對于土基的影響深度可達(dá)6.6 m,影響范圍達(dá)8 m,這說明劣化區(qū)域外的部分土層也將受到影響。

        圖4 瀝青混凝土劣化塑性區(qū)Fig.4 Deterioration plastic zone of asphalt concrete

        劣化區(qū)域一旦形成空洞,如圖4(b)所示,強度劣化核心區(qū)將在剪力與拉力共同作用下被破壞,周圍大部分區(qū)域處于受剪屈服、曾受剪受拉屈服或持續(xù)受剪屈服的狀態(tài)。地層屈服區(qū)域相比于劣化系數(shù)為0.1 時大幅度擴展,強度劣化區(qū)域以外包括面層在內(nèi)的大量區(qū)域發(fā)生屈服。對土體的影響深度也不局限于強度劣化深度范圍,而是進(jìn)一步向下發(fā)展。支承劣化影響不斷向外擴展的趨勢與文獻(xiàn)[22]根據(jù)現(xiàn)場試驗所得結(jié)果一致。

        圖書館根據(jù)未成年人公共文化服務(wù)需求,建立科學(xué)的激勵機制,能夠顯著提高文化治理主體的積極性。圖書館在與政府、事業(yè)單位、社會機構(gòu)等合作過程中,可以對他們的文化治理行為進(jìn)行合理評估,做好各方關(guān)系的協(xié)調(diào)工作,引導(dǎo)更多人參與到未成年人服務(wù)中來,以統(tǒng)一的思想認(rèn)知和行動準(zhǔn)則,促進(jìn)未成年人公共文化事業(yè)發(fā)展。激勵機制的構(gòu)建,一方面要求堅持公平公正原則,以定期監(jiān)督檢查,對公共文化服務(wù)的效果進(jìn)行跟蹤評價,對參與主體的成績給予合適的獎勵。另一方面,要做好參與主體的教育引導(dǎo)工作,讓他們認(rèn)識到未成年人服務(wù)的必要性,將文化治理目標(biāo)與個人目標(biāo)結(jié)合起來,全面提升服務(wù)主體的能動性。

        2.2 劣化程度的影響規(guī)律

        圖5 為不同劣化系數(shù)對路面彎沉與應(yīng)力的影響,從圖中可以看出支承劣化后路面出現(xiàn)明顯的沉降槽,且沉降槽底部寬度與輪載作用范圍一致,劣化系數(shù)的影響范圍主要在劣化區(qū)域內(nèi),在劣化區(qū)域以外影響較小。由于瀝青混凝土道面剛度較小,路面彎沉作用最大值基本為輪載作用處,在輪載中心處由于土體的擠壓隆起,彎沉值反而較小。此外,隨著劣化系數(shù)的降低,路面彎沉值增速越來越快,劣化對路面結(jié)構(gòu)的影響也越來越劇烈,這說明在劣化初期就應(yīng)對瀝青路面病害進(jìn)行治理,否則路面彎沉將加速發(fā)展。

        圖5 劣化系數(shù)變化對路面的影響Fig.5 Influence of deterioration coefficient change on pavement

        隨著劣化系數(shù)的減小,路面在輪載作用處的壓應(yīng)力變化并不明顯,而在輪載作用處兩側(cè)尤其是外側(cè)的拉應(yīng)力變化較大。這是由于正常路面輪載作用處路面以壓應(yīng)力為主,局部劣化也不會改變這種受力狀態(tài)。而對于輪載外側(cè)區(qū)域的瀝青路面,劣化將誘發(fā)路面承受更大拉力,甚至產(chǎn)生開裂。模擬工況的路面最大拉應(yīng)力值約為0.1 MPa,尚未達(dá)到設(shè)計抗拉強度(0.31 MPa),劣化引發(fā)的路面拉應(yīng)力范圍主要為劣化區(qū)域外2 m范圍內(nèi)。

        圖6 為路面最大彎沉隨劣化系數(shù)的變化規(guī)律。通過對3 種車輛荷載對應(yīng)的路面最大彎沉值進(jìn)行對比,選取了軸重為500 kN 的荷載形式3 作為分析對象。劣化系數(shù)越小則路基劣化程度越大,因此最大彎沉值隨劣化系數(shù)的增加不斷減小,影響速率也不斷降低。通過對圖6 進(jìn)行分析,可以得到最大彎沉和劣化系數(shù)之間關(guān)系的冪函數(shù)擬合曲線,擬合優(yōu)度R2為95.98%,其函數(shù)表達(dá)式為

        圖6 路面最大彎沉值隨劣化系數(shù)改變所受影響Fig.6 Influence of the maximum deflection of pavement with the change of deterioration coefficient

        式中:S 為路面最大彎沉值(mm);當(dāng)α=0 時表示路面下方已經(jīng)完全脫空,當(dāng)α=1 時表示并未產(chǎn)生劣化。對于實際工程,α 的值可能集中于某一范圍,且并非恒量,需通過工程實測或?qū)嶒炦M(jìn)一步分析。擬合公式的選取考慮了合理的邊界條件,當(dāng)α=0 時,S 趨于無窮大,表示路面已經(jīng)塌陷;當(dāng)劣化系數(shù)α 趨近于1 時,最大彎沉值的變化趨緩,這與實際工程經(jīng)驗相符。需要指出的是,式(4)僅針對于本文所分析的荷載形式,對于不同車輛荷載值和路面彎沉的影響大小將發(fā)生改變,需進(jìn)行針對性分析,但這不影響其變化趨勢。

        2.3 劣化深度的影響規(guī)律

        圖7 為不同強度劣化深度h 對路面的影響,從圖中可以看出。

        圖7 路面隨強度劣化深度改變所受的影響Fig.7 Influence of pavement with the change of strength deterioration depth

        (1)荷載一定時,路面彎沉值隨著劣化深度的增加而增大。劣化深度的改變對非劣化區(qū)彎沉影響較小,而對劣化區(qū),路面彎沉值受劣化深度影響較大,在輪載作用處達(dá)到最大彎沉。當(dāng)劣化深度較小時,輪載位置處彎沉值明顯大于輪載中心處彎沉,但隨著劣化深度增加,這種現(xiàn)象逐漸消失。這是因為劣化深度較小時,由于輪載作用處與輪載之間路面所受壓應(yīng)力有一定差異,所以彎沉值也明顯不同,隨著劣化深度的增加,劣化路面在輪載作用下將整體發(fā)生彎沉,并形成“彎沉盆”。

        (2)當(dāng)強度劣化深度為0.6 m(達(dá)到基層和底基層)時,路面彎沉值可達(dá)6.0 mm;此后,當(dāng)劣化深度為1.6 m時,土基出現(xiàn)劣化,導(dǎo)致路面彎沉增大1.6 mm;然而當(dāng)劣化深度進(jìn)一步增加時,路面彎沉增長并不明顯。

        圖8 為路面彎沉隨不同強度劣化深度的關(guān)系,從圖中可以明顯看出,路面彎沉值隨劣化深度的發(fā)展可明顯分為快速增加和緩慢變化兩個階段;在劣化深度發(fā)展初期,路面彎沉值幾乎線性增加,當(dāng)劣化發(fā)展到一定深度,其影響較為緩慢。兩發(fā)展階段的界限為臨界劣化深度z0,本文模擬工況z0約為2.6 m。隨著劣化深度的增加,不僅會造成路面底部失去支承,還將導(dǎo)致周圍土體出現(xiàn)應(yīng)力松弛,因此對劣化區(qū)外圍基層、土體均有影響,進(jìn)而影響了柔性道面結(jié)構(gòu);劣化深度較大時,深層劣化主要影響周圍地層,對路面的影響程度也逐步放緩。上述分析表明,當(dāng)劣化發(fā)展至臨界劣化深度z0前便應(yīng)對路面劣化進(jìn)行治理,以遏制其快速發(fā)展。

        圖8 彎沉與不同強度劣化深度的關(guān)系Fig.8 Relationship between deflection and deterioration depth of different strength

        2.4 劣化面積的影響規(guī)律

        不同劣化面積A 對路面彎沉影響如圖9 所示,其中劣化系數(shù)為0.1、劣化深度為6.6 m,從圖中可看出如下規(guī)律。

        圖9 路面隨劣化面積改變所受的影響Fig.9 Influence of pavement with the change of deterioration area

        (1)當(dāng)劣化面積一定時,路面越接近劣化區(qū)域的位置彎沉值越大。當(dāng)劣化面積為9 m2時輪載作用處彎沉值最大可達(dá)8.2 mm。

        (2)隨著劣化面積的增大,路面彎沉值逐漸增大,且在輪載作用處增長最快;其中劣化面積在2.0 m×2.0 m(4 m2)以內(nèi)時(只有一個輪載在強度劣化范圍內(nèi)),隨著強度劣化面積增大至2.5 m×2.5 m(6.25 m2),路面彎沉最大增量為0.5 mm,再繼續(xù)增大劣化面積,路面彎沉最大增量可達(dá)1.0 mm,這說明劣化區(qū)域內(nèi)荷載作用的范圍越大,路面所產(chǎn)生彎沉越大。

        由上述結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)劣化面積小于輪印范圍時,由于輪胎的架越作用,荷載仍被劣化區(qū)兩側(cè)路基支撐,其影響較??;隨著劣化面積繼續(xù)增加,輪胎荷載可視為劣化區(qū)內(nèi)的均布荷載乃至集中荷載,導(dǎo)致路面響應(yīng)增大(加荷作用);當(dāng)劣化面積繼續(xù)增加時,更多的汽車輪胎將位于劣化面積內(nèi),劣化區(qū)也由單點加荷變?yōu)槎帱c加荷,劣化產(chǎn)生影響也更大。不同劣化面積比所對應(yīng)的加荷區(qū)域與劣化區(qū)域示意圖如圖10 所示。由于不同荷載形式所對應(yīng)的輪胎面積不同,為了進(jìn)一步探究加荷區(qū)域與劣化面積的綜合影響,引入劣化面積比η 如下式

        圖10 不同劣化面積比示意圖Fig.10 Diagram of different deterioration area ratios

        式中:Rd為劣化面積等效圓半徑;Rw為單個輪胎面積等效圓半徑。

        圖11 為不同荷載形式下路面最大彎沉值與劣化面積比的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)劣化面積比η <1時,由于輪胎的架越作用占主導(dǎo),彎沉值變化很小;當(dāng)η >1 時,由于加荷作用占主導(dǎo),隨著η 的增大,路面彎沉值呈線性逐漸增加,此外,荷載形式1 的最大彎沉值為3.2 mm,荷載形式2 的最大彎沉值為6.9 mm,約為荷載形式1 的2 倍多;荷載形式3 的最大彎沉值為8 mm,為荷載形式1 的2.5 倍,可見不同荷載形式對路面彎沉的響應(yīng)并非線性。對比3 種荷載作用,荷載形式2 和荷載形式3 對路面影響更大,這是由于這兩種車輛不僅總重大,作用在強度劣化區(qū)域內(nèi)的輪胎數(shù)也更多,多點加荷存在疊加效應(yīng)所致。

        圖11 路面隨強度劣化比改變所受的影響Fig.11 Influence of pavement with the change of strength deterioration ratio

        3 結(jié)語

        本文采用FLAC3D 有限差分軟件,建立數(shù)值分析模型,對瀝青混凝土路面局部劣化情況進(jìn)行了模擬分析,主要結(jié)論如下。

        (1)隨著劣化系數(shù)減小,劣化程度增加,瀝青混凝土路面彎沉和應(yīng)力逐步增大;支承空洞一旦出現(xiàn),瀝青混凝土模型的塑性區(qū)范圍迅速增加;路面最大彎沉與劣化系數(shù)的關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行描述。

        (2)當(dāng)強度劣化面積一定時,不同劣化深度對劣化區(qū)以外路面的影響較??;越靠近強度劣化區(qū)域,路面彎沉越大,模擬條件下,最大彎沉值可達(dá)8.6 mm,且出現(xiàn)在荷載作用位置處;對于瀝青混凝土路面,存在臨界劣化深度,在該深度以內(nèi)發(fā)生劣化時,路面彎沉將迅速發(fā)展,危害路面安全。

        (3)隨著劣化面積的增大,路面彎沉值逐漸增加,且在荷載作用處增長最快。當(dāng)劣化面積比η <1 時,由于輪胎的架越作用占主導(dǎo),彎沉值變化很??;當(dāng)η >1 時,由于加荷作用占主導(dǎo),瀝青路面彎沉值隨劣化面積比呈線性增加。

        值得注意的是,在模擬路面強度劣化時,實際路面的劣化系數(shù)值可能集中于某一范圍,其具體取值的確定需通過工程實測或者加速加載試驗數(shù)據(jù)獲得。此外,不同車輛荷載對于局部劣化的路面安全性獲得能同樣有較大影響,這是進(jìn)一步的研究方向。

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