冲击载荷作用下路面结构的沉降及破坏特征

林钦栋; 冯春; 唐德泓; 李世海; 殷凌云; 王然江

doi:10.11883/bzycj-2018-0320

冲击载荷作用下路面结构的沉降及破坏特征

doi: 10.11883/bzycj-2018-0320

林钦栋^{1, 2},
冯春^1, ,,
唐德泓¹,
李世海^{1, 2},
殷凌云³,
王然江³

1.
中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2.
中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
3.
火箭军工程设计研究院，北京 100011

详细信息

作者简介:
林钦栋（1993－　），男，硕士研究生， linqindong@imech.ac.cn

通讯作者:
冯　春（1982－　），男，博士研究生，高级工程师， fengchun@imech.ac.cn

中图分类号: O342
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出版历程
- 收稿日期: 2018-08-29
- 修回日期: 2018-11-14
- 刊出日期: 2019-11-01

The settlement and damage characteristics of pavement structure under impulse load

LIN Qindong^{1, 2},
FENG Chun^{1
, ,},
TANG Dehong¹,
LI Shihai^{1, 2},
YIN Lingyun³,
WANG Ranjiang³

1.
Key Laboratory for Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.
School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3.
Engineering Design Institute of Rocket Force, Beijing 100011, China

摘要

摘要: 随着公路在导弹的无依托随机发射中扮演更加重要的角色，研究发射期间其在发射筒冲击载荷作用下的沉降及破坏特征对提高我国武器威慑力具有重要意义。选择低等级道路结构为研究对象，基于河南省、山东省、云南省及广东省的低等级道路统计信息，建立典型低等级道路结构的1/4简化计算模型，采用一种基于有限元和离散元耦合的显式数值分析方法CDEM，并引入塑性-局部化-破裂耦合的本构模型，实现冲击载荷作用下路面沉降的三维全时程模拟，显式地展现裂纹萌生和扩展过程，实现路面结构从连续状态到非连续状态的过渡。通过与落锤弯沉仪试验的监测结果对比验证道路简化模型的正确性及CDEM的计算精度，随后各选取一个沥青混凝土和水泥混凝土道路结构进行数值模拟，并从沉降量、破裂度、破坏特征等方面分析。计算结果表明：沉降量时程曲线与冲击载荷时程曲线变化趋势一致，沉降量在冲击载荷峰值点处达到最大值；破裂面主要产生于冲击载荷急剧增大时期，约占最终全部破裂面积的97%；破裂面大体分为路面结构层内的竖向破裂面和层间的水平破裂面，破坏类型包括拉伸破坏与剪切破坏；路面结构上部易产生环状破裂面，下部易产生径向破裂面。
- 低等级道路 /
- 冲击载荷 /
- 沉降与破坏 /
- CDEM /
- 落锤弯沉仪
Abstract: As the road plays a more important role in the missile’s unsupported random launch, it is of great significance to study the settlement and damage characteristics under the impulse load of the launching cylinder to improve the weapon deterrent force of China. The object of study is low grade road structure. Firstly, based on the statistical information of low-grade road structures in Henan, Shandong, Yunnan and Guangdong provinces, a 1/4 simplified calculation model for typical low-grade road structures is established. An explicit numerical analysis method CDEM based on FEM and DEM is introduced, and a plastic-localized-rupture coupled constitutive model is introduced to realize three-dimension full-time simulation of pavement settlement under impulse load, explicitly reveal the process of crack initiation and expansion, and realize the transition of the pavement structure from continuous state to discontinuous state. The correctness of the road numerical model and the calculation accuracy of CDEM are verified by comparing with the results of Falling Weight Deflectometer. Then the typical asphalt concrete and cement concrete road structures are selected for numerical simulation and analyzed from the aspects of the settlement, fracture degree and damage characteristics. The results show that the settlement time-history curve is consistent with the trend of the impulse load, and the settlement reaches the maximum at the peak point of the impulse load; the fracture surface is mainly generated during the period of sharp increase of the impulse load, accounting for 97% of the final total fracture area; the fracture surface is roughly divided into the vertical surface in the layer and the horizontal fracture surface between the layers, the failure type includes tensile failure and shear failure; the upper part of the pavement structure produces an annular fracture surface, and the lower part produces a radial fracture surface.
- low-grade road /
- impulse load /
- settlement and damage /
- CDEM /
- FWD

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图 1 CDEM计算模型

Figure 1. The calculation model of CDEM

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图 2 典型公路结构计算模型

Figure 2. The calculation models of typical pavement structures

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图 3 冲击载荷时程曲线^[18]

Figure 3. Time curve of impulse load^[18]

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图 4 荷载归一化比值γ的时程曲线

Figure 4. The time history curve of load normalization ratio γ

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图 5 不同位置最大沉降量对比

Figure 5. Comparison of maximum settlement at different locations

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图 6 路面结构模型

Figure 6. Pavement structure model

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图 7 路面结构俯视图

Figure 7. Top view of pavement structure

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图 8 路面结构局部沉降量云图

Figure 8. Local settlement nephogram

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图 9 荷载中心点沉降量

Figure 9. Settlement in the center of load area

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图 10 x方向沉降量

Figure 10. Settlement in x direction

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图 11 y方向沉降量

Figure 11. Settlement in y direction

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图 12 裂缝分布示意图

Figure 12. Crack distribution diagram

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图 13 可破裂面的破裂度

Figure 13. Fracture degree of rupturable face

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图 14 面层裂缝分布示意图

Figure 14. Crack distribution diagram of surface course

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图 15 面层初始破坏云图

Figure 15. Initial damage nephograms of surface course

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图 16 基层裂缝分布示意图

Figure 16. Crack distribution diagram of base course

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图 17 基层初始破坏云图

Figure 17. Initial damage nephograms of base course

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图 18 垫层裂缝分布示意图

Figure 18. Crack distribution diagram of bed course

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图 19 垫层初始破坏云图

Figure 19. Initial damage cloud nephograms of bed course

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图 20 路面结构模型

Figure 20. Pavement structural model

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图 21 模型俯视图

Figure 21. Top view of model

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图 22 路面结构局部沉降量云图

Figure 22. Local settlement nephogram

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图 23 荷载中心点沉降量

Figure 23. The settlement in the center of load area

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图 24 x方向沉降量

Figure 24. Settlement in x direction

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图 25 y方向沉降量

Figure 25. Settlement in y direction

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图 26 裂缝分布示意图

Figure 26. Crack distribution diagrams

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图 27 可破裂面的破裂度

Figure 27. Fracture degree of rupturable face

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图 28 面层裂纹分布示意图

Figure 28. Crack distribution diagram

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图 29 面层初始破坏云图

Figure 29. Initial damage nephograms of surface course

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图 30 基层裂纹分布示意图

Figure 30. Crack distribution diagram

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图 31 基层裂纹分布示意图

Figure 31. Crack distribution diagram

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表 1 材料参数

Table 1. Material parameters

类型	密度/(kg∙m⁻³)	弹性模量/GPa	黏聚力/MPa	抗拉强度/MPa	内摩擦角/(°)
沥青混凝土	2 400	0.7	3	0.6	40
水泥混凝土	2 400	30	3.18	2.01	50
水泥稳定碎石	2 410	1.4	1.6	0.4	45
石灰土	1 800	0.4	0.4	0.2	29
路基	1 700	0.07	0.04	0.01	20

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表 2 弯沉仪技术参数

Table 2. The technical parameters of FWD

加载盘半径/m	荷载脉宽/ms	荷载峰值/MPa
0.15	30～40	0.25～1.27

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表 3 现场材料参数

Table 3. Field material parameters

材料	E/GPa	μ
水泥混凝土	27	0.15
沥青混凝土	1	0.3
粒料	0.7	0.3
路基	0.2	0.4

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表 4 路面材料类型及厚度

Table 4. Type and thickness of pavement material

种类	面层	基层	垫层
沥青混凝土	12 cm 沥青混凝土	20 cm 水泥稳定碎石	15 cm 石灰土
水泥混凝土	18 cm 水泥混凝土	18 cm 石灰土	−

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参考文献(18)

[1]	周晓和, 马大为, 任杰, 等. 某导弹无依托发射场坪动态响应与破坏形态研究 [J]. 兵器材料科学与工程, 2014, 37(2): 77–81. DOI: 10.14024/j.cnki.1004-244x.2014.02.030. ZHOU Xiaohe, MA Dawei, REN Jie, et al. Dynamic response and failure mode of a missile unsupported random launching site [J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2014, 37(2): 77–81. DOI: 10.14024/j.cnki.1004-244x.2014.02.030.
[2]	丰佩. 某车载垂直发射装置结构设计与动力学仿真分析[D]. 南京: 南京理工大学, 2015: 55–72.
[3]	HU X D, FARUK A N M, ZHANG J, et al. Effects of tire inclination (turning traffic) and dynamic loading on the pavement stress-strain responses using 3-D finite element modeling [J]. International Journal of Pavement Research and Technology, 2017, 10(4): 304–314. DOI: 10.1016/j.ijprt.2017.04.005.
[4]	WU J M, LIANG J P, ADHIKARI S. Dynamic response of concrete pavement structure with asphalt isolating layer under moving loads [J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), 2014, 1(6): 439–447. DOI: 10.1016/S2095-7564(15)30294-4.
[5]	袁成林, 马大为, 张震东. 层间接触与弹性模量对某导弹场坪动载的影响 [J]. 火力与指挥控制, 2016, 41(3): 53–56, 61. DOI: 10.3969/j.issn.1002-0640.2016.03.014. YUAN Chenglin, MA Dawei, ZHANG Zhendong. Effect of interface condition and elastic modulus on launching site asphalt pavement [J]. Fire Control & Command Control, 2016, 41(3): 53–56, 61. DOI: 10.3969/j.issn.1002-0640.2016.03.014.
[6]	颜可珍, 江毅, 黄立葵, 等. 层间接触对沥青加铺层性能的影响 [J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2009, 36(5): 11–15. YAN Kezhen, JIANG Yi, HUANG Likui, et al. Effect of bond condition on overlay performance [J]. Journal of Hunan University (Natural Science), 2009, 36(5): 11–15.
[7]	薛亮, 张维刚, 梁鸿颉. 考虑层间不同状态的沥青路面力学响应分析 [J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2006, 22(4): 575–578. DOI: 10.3969/j.issn.2095-1922.2006.04.011. XUE Liang, ZHANG Weigang, LIANG Hongjie. The mechanical response analysis of asphalt pavement in different interface condition between layers [J]. Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science), 2006, 22(4): 575–578. DOI: 10.3969/j.issn.2095-1922.2006.04.011.
[8]	黄宝涛, 廖公云, 张静芳. 半刚性基层沥青路面层间接触临界状态值的计算方法 [J]. 东南大学学报(自然科学版), 2007, 37(4): 666–670. DOI: 10.3321/j.issn:1001-0505.2007.04.024. HUANG Baotao, LIAO Gongyun, ZHANG Jingfang. Analytical method of interlayer contact fettle in semi-rigid-base bituminous pavement [J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2007, 37(4): 666–670. DOI: 10.3321/j.issn:1001-0505.2007.04.024.
[9]	赵炜诚, 许志鸿, 黄文. 混凝土面层与贫混凝土基层的层间作用对荷载应力和弯沉的影响 [J]. 中国公路学报, 2003, 16(4): 9–15. DOI: 10.3321/j.issn:1001-7372.2003.04.003. ZHAO Weicheng, XU Zhihong, HUANG Wen. Influence of load stress and deflection on interfacial interaction between Portland concrete pavement and lean concrete base [J]. China Journal of Highway and Transport, 2003, 16(4): 9–15. DOI: 10.3321/j.issn:1001-7372.2003.04.003.
[10]	李彦伟, 穆柯, 石鑫, 等. 基面层间接触状态对沥青路面力学响应影响 [J]. 长安大学学报(自然科学版), 2014, 34(2): 38–44. DOI: 10.19721/j.cnki.1671-8879.2014.02.007. LI Yanwei, MU Ke, SHI Xin, et al. Impact of base-surface contact conditions on mechanical response of asphalt pavement [J]. Journal of Chang'an University(Natural Science Edition), 2014, 34(2): 38–44. DOI: 10.19721/j.cnki.1671-8879.2014.02.007.
[11]	冯春, 李世海, 刘晓宇. 半弹簧接触模型及其在边坡破坏计算中的应用 [J]. 力学学报, 2011, 43(1): 184–192. DOI: 10.6052/0459-1879-2011-1-lxxb2010-080. FENG Chun, LI Shihai, LIU Xiaoyu. Semi-spring contact model and its application to failure simulation of slope [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011, 43(1): 184–192. DOI: 10.6052/0459-1879-2011-1-lxxb2010-080.
[12]	杨长卫, 张建经, 张明, 等. 双面高陡岩质边坡地震滑坡机制的研究 [J]. 岩土力学, 2013, 34(11): 3261–3268. DOI: 10.16285/j.rsm.2013.11.021. YANG Changwei, ZHANG Jianjing, ZHANG Ming, et al. Analysis of landslide mechanisms of a high steep rock hill with two-side slopes under ground shaking [J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(11): 3261–3268. DOI: 10.16285/j.rsm.2013.11.021.
[13]	冯春, 李世海, 周东, 等. 爆炸载荷作用下岩石损伤破裂过程的数值分析 [J]. 岩土工程学报, 2014, 36(7): 1262–1270. DOI: 10.11779/CJGE201407010. FENG Chun, LI Shihai, ZHOU Dong, et al. Numerical analysis of damage and crack process of rock under explosive loading [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(7): 1262–1270. DOI: 10.11779/CJGE201407010.
[14]	郭汝坤. 基于原位试验和CDEM的边坡灾变状态分析评价方法研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2016: 43–44.
[15]	张文清. 冲击载荷下松软煤力学特性及对煤与瓦斯突出的影响[D]. 安徽淮南: 安徽理工大学, 2015: 2–6. ZHANG Wenqing. Study on mechanical property of soft coal under impact load and its effect to coal and gas outburst [D]. Huainan, Anhui: Anhui University of Science & Technology, 2015: 2–6.
[16]	李洪超. 岩石RHT模型理论及主要参数确定方法研究[D]. 北京市: 中国矿业大学(北京), 2016: 22–23. LI Hongchao. The study of the rock RHT model and to determine the values of main parameters[D]. Beijing: China University of Mining & Technology, Beijing, 2016: 22–23.
[17]	李世海, 王理想, 冯春, 等. 煤层自燃防治与高温爆破安全技术中的若干力学问题 [J]. 爆破, 2015, 32(3): 1–9, 16. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.03.001. LI Shihai, WANG Lixiang, FENG Chun, et al. Several mechanical problems on prevention of spontaneous combustion of coal and safety controlling in high-temperature blasting [J]. Blasting, 2015, 32(3): 1–9, 16. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.03.001.
[18]	冯锦艳, 郭志培, 于志全. 冲击载荷下低等级沥青路沉降计算方法探讨 [J]. 地下空间与工程学报, 2016, 12(S2): 889–893. FENG Jinyan, GUO Zhipei, YU Zhiquan. Discussion on settlement calculation methods of the low level asphalt pavement under action of impact load [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(S2): 889–893.