機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫形成和演變的機(jī)理研究中文摘要

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面是近年來機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域研究的重要課題，而反射裂縫是機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的主要破壞形式之一，因而研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫的形成和演變的機(jī)理對(duì)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的合理設(shè)計(jì)是非常必要的。本項(xiàng)目將引入彈塑性斷裂力學(xué)和無網(wǎng)格方法研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫，首先研究彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無單元Galerkin方法，并對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；利用彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無單元Galerkin方法對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行數(shù)值分析，研究其裂縫擴(kuò)展路徑。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，分析機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫形成和演變的機(jī)理。本項(xiàng)目研究將促進(jìn)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面和半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究進(jìn)展，為機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面設(shè)計(jì)提供參考，也將促進(jìn)非線性問題和斷裂力學(xué)無網(wǎng)格方法的研究進(jìn)展。

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面是近年來機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域研究的重要課題，而反射裂縫是機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的主要破壞形式之一，因而研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫的形成和演變的機(jī)理對(duì)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的合理設(shè)計(jì)是非常必要的。本項(xiàng)目引入彈塑性斷裂力學(xué)和無網(wǎng)格方法研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫，首先研究了斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無單Galerkin方法、彈性動(dòng)力學(xué)和彈塑性大變形問題的改進(jìn)的無單元Galerkin方法、彈性地基板的無網(wǎng)格方法、以及三維問題的維數(shù)分裂無網(wǎng)格方法，并對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；利用斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無單元Galerkin方法對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行了數(shù)值分析，研究其裂縫擴(kuò)展路徑。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，分析了機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫形成和演變的機(jī)理。本項(xiàng)目現(xiàn)已發(fā)表期刊論文14篇(其中SCI收錄8篇)，會(huì)議論文4篇，另外還有5篇期刊論文已錄用；國際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告4人次；培養(yǎng)碩士生6名(已畢業(yè))。本項(xiàng)目研究將促進(jìn)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面和半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究進(jìn)展，為機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面設(shè)計(jì)提供參考，也將促進(jìn)非線性問題和斷裂力學(xué)無網(wǎng)格方法的研究進(jìn)展。 2100433B

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面具有優(yōu)秀的承載能力和功能性能，是跑道加鋪的主流形式，但其力學(xué)行為和使用壽命對(duì)層間性狀非常敏感。飛機(jī)加減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭產(chǎn)生的水平力會(huì)加劇了層間性狀的非線性及其對(duì)道面的影響。瀝青面層和水泥混凝土板的層間是復(fù)合道面中的最薄弱環(huán)節(jié)，受荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等的影響，行為復(fù)雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中簡單的層間狀態(tài)假定與實(shí)際不符，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)失效，其改進(jìn)的核心是掌握層間力學(xué)性狀和演變規(guī)律。 本項(xiàng)目圍繞復(fù)合道面中瀝青面層與混凝土板的層間問題，以瀝青粘結(jié)類的層間處理方法為重點(diǎn)，提出以剪切破壞模式為核心的層間力學(xué)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，研發(fā)了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)層間實(shí)驗(yàn)裝置并完成了適用于現(xiàn)場(chǎng)工況模擬的多因素影響實(shí)驗(yàn)，得到了典型工況下的復(fù)合道面層間剪應(yīng)力-位移曲線，確定了層間力學(xué)性能和狀態(tài)的表征指標(biāo)并進(jìn)行了敏感性分析，提出了層間性能的表達(dá)模型； 通過精細(xì)化模擬技術(shù)建立了考慮層間接觸的復(fù)合道面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，由力學(xué)試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果，研究了瀝青粘接類層間在飛機(jī)和環(huán)境因素作用下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，全面揭示層間力學(xué)性狀的非線性特征，研究結(jié)果表明：在單輪荷載下，層間是道面結(jié)構(gòu)相對(duì)縱向變形最大的地方，是結(jié)構(gòu)最薄弱處，在多輪荷載下，疊加效應(yīng)增大了結(jié)構(gòu)響應(yīng)值，對(duì)于縱向剪應(yīng)力提升幅度達(dá)81.2%； 通過直接剪切和疲勞剪切試驗(yàn)分別分析了凍融循環(huán)和重復(fù)荷載作用下的層間力學(xué)性能與狀態(tài)，揭示層間性狀隨荷載累積和環(huán)境變化的演變規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明層間在多周期凍融循環(huán)下抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度不斷衰減，且趨勢(shì)緩和，凍融循環(huán)會(huì)造成部分粘結(jié)層與水泥脫粘；面向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估，提出復(fù)合道面層間力學(xué)性狀的三階段層間狀態(tài)演變模型和表征方程。 本項(xiàng)目綜合考慮飛機(jī)荷載、環(huán)境作用和層間結(jié)構(gòu)三類影響的作用，系統(tǒng)的分析了各因素，從而為構(gòu)建復(fù)合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

復(fù)合道面的力學(xué)行為和使用壽命對(duì)層間性狀非常敏感。飛機(jī)加減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭產(chǎn)生的顯著水平力，加劇了層間性狀的非線性及其對(duì)道面的影響。瀝青面層和水泥混凝土板的層間是復(fù)合道面中的最薄弱環(huán)節(jié)，受荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等的影響，行為復(fù)雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中簡單的層間狀態(tài)假定與實(shí)際不符，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)失效，其改進(jìn)的核心是掌握層間力學(xué)性狀和演變規(guī)律。本項(xiàng)目圍繞復(fù)合道面中瀝青面層與混凝土板的層間問題，以瀝青粘結(jié)類處理為重點(diǎn)，研發(fā)層間力學(xué)性狀多尺度試驗(yàn)方法和精細(xì)化模擬技術(shù)；系統(tǒng)分析復(fù)合道面層間對(duì)飛機(jī)作用的力學(xué)響應(yīng)，明確溫度等外部因素的影響程度，全面揭示層間力學(xué)性狀的非線性特征；試驗(yàn)分析重復(fù)荷載和凍融循環(huán)作用下的層間力學(xué)性能與狀態(tài)，揭示層間性狀隨荷載累積和環(huán)境變化的演變規(guī)律；面向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估，提出復(fù)合道面層間力學(xué)性狀的表征模型和演變方程。從而為構(gòu)建復(fù)合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)新方法提供理論和數(shù)據(jù)。