水泥混凝土路面半刚性基层的冲刷演变行为和损伤机制

Investigations show that erosion of semi-rigid base is the main reason to cause early damage of cement concrete pavememt.At present,the study on erosion development behavior of cement concrete pavemenet semi-rigid base is rarely reported.Existing mechanical analysis method and macroscopic theory cannot reflect the working condition of erosion of semi-rigid base from scientific principle.In this project,a device for testing hydrodynamic pressure in semi-rigid base will be designed.This device will be used to study the development value of hydrodynamic pressure caused by different external loading condition and pavement structure. Finite element method-based software ABAQUS is used to simulate the pore water pressure development in the semi-rigid base. The development value of pore water pressure along the base depth caused by different external loading condition and pavement structure are calculated.Meanwhile,discrete element method-based software PFC2D/3D is used to establish erosion micro-mechanics model of semi-rigid base based on the irregular particle simulation theory.The erosion development behavior of semi-rigid base under loading condition is simulated. Mechanical response and damage mechanism of semi-rigid base under loading condition is explored from the point of microcosmic mechanics.The research results will provide important theoretical foundation for improving durability of base、pavement life and pavement design method.

调查表明，半刚性基层的冲刷是造成水泥混凝土路面结构过早损坏的主要原因。目前对于水泥混凝土路面半刚性基层的冲刷演变行为鲜有报道，已有的力学分析方法及宏观理论分析未能从科学原理上反映半刚性基层的冲刷工作本质。本项目拟采用自行设计的半刚性基层动水压力测试装置，研究外部荷载和路面结构等参数对半刚性基层内部水压力演变的影响规律。运用ABAQUS有限元软件计算半刚性基层的内部孔隙水压力，研究外部荷载和路面结构等参数对基层内部水压力演变的影响规律。通过数值模拟与宏观试验相对照，揭示半刚性基层在动水压力作用下的冲刷演变行为。同时，基于离散元软件PFC2D/3D中的不规则颗粒模拟理论，建立半刚性基层混合料微观力学冲刷模型，数值模拟荷载作用下基层混合料的冲刷演化过程，从微观力学角度探讨其力学响应和损伤机制。研究成果对提高基层耐久性、延长道路结构寿命及完善路面设计方法提供重要理论依据。

调查表明，半刚性基层的冲刷是造成水泥混凝土路面结构过早损坏的主要原因。目前对于水泥混凝土路面半刚性基层的冲刷演变行为鲜有报道，已有的力学分析方法及宏观理论分析未能从科学原理上反映半刚性基层的冲刷工作本质。.本项目设计了半刚性基层的冲刷模拟试验，通过MTS加轮胎的加载方式模拟了路面实际冲刷过程中的动水压力，试验验证了不同抗冲刷等级基层材料的冲刷性能。 同时，基于多孔介质弹性理论，运用ABAQUS有限元分析软件对水泥混凝土路面半刚性基层的孔隙水压力进行了数值模拟，计算了不同外部荷载和路面结构条件下的基层孔隙水压力分布规律。基于离散元方法（DEM），通过PFC2D软件对三种结构（骨架密实、骨架孔隙、悬浮密实）的水泥稳定类半刚性基层材料进行重构，建立其可视化离散元模型。通过FISH语言程序，追踪加载过程中的应力应变，从而模拟半刚性基层的无侧限抗压强度试验。通过调整模型的细观参数，使模拟结果与室内试验结果相一致，并得到三种结构不同水泥含量、不同龄期的细观参数。并采用劈裂强度模拟试验进行细观参数验证。采用PFC2d中FLUID SCHEME模块，对建立的半刚性基层离散元模型，设置不同的冲刷区域，施加水压力模拟对试件的冲刷，提出采用冲刷前后试件的抗压强度损失率进行半刚性基层材料冲刷性能评价。研究了不同结构类型，不同水泥含量及不同冲刷区域下的半刚性基层抗冲性能。针对路面结构中的基层冲刷性能研究，本项目引入流体域，采用PFC2d软件中incorporation of fluid coupling模块，对基层在路面结构中的冲刷进行模拟。在板隙下方设置测量圆，对冲刷过程中测量圆内的空隙率和颗粒的配位数进行测量，通过孔隙率和颗粒配位数的变化对不同结构半刚性基层的抗冲刷能力进行评价。.本项目建立半刚性基层混合料微观力学冲刷模型，数值模拟荷载作用下基层混合料的冲刷演化过程，从微观力学角度探讨其力学响应和损伤机制。研究成果对提高基层耐久性、延长道路结构寿命及完善路面设计方法提供重要理论依据。