基于能量耗散历史的沥青混合料疲劳损伤特性研究

为弥补耗散能相对变化率(RDEC)法研究沥青混合料疲劳损伤特性的缺陷,通过分析RDEC的演化规律指出RDEC法的不足,采用单调递增的累积耗散能定义新的能量参数累积耗散能相对变化率(RCDEC),并分析其演化规律.采用RCDEC定义沥青混合料的疲劳损伤,并建立疲劳损伤模型来分析疲劳损伤演化规律;同时采用RCDEC分析沥青混合料的疲劳损伤抵抗能力.结果 表明:RDEC无法区分和表征不同条件下沥青混合料的非线性连续损伤演化行为;而RCDEC能够充分考虑沥青混合料的能量耗散历史,区分和表征非线性连续损伤演化行为;提出的疲劳损伤模型可以准确地描述沥青混合料的非线性连续损伤演化行为;RCDEC能够反映沥青混合料的疲劳损伤抵抗能力,RCDEC的提高会导致沥青混合料疲劳损伤演化速率加快,相应的疲劳寿命减小.     

基于疲劳累积损伤的高模量沥青路面使用寿命预估

为了精确预估高模量沥青路面的使用寿命,以疲劳累积损伤理论为基础,提出考虑沥青路面结构温度分布、轴载分布以及沥青混合料疲劳性能的使用寿命预估新方法。根据劈裂强度试验和间接拉伸疲劳试验确定P0-AC-25(未掺加PR-Module)和P0.5-AC-25(PR-Module掺量为0.5%)的2种沥青混合料的应变疲劳方程;依托抚吉(抚州—吉安)高速公路工程,计算全年路面温度区间分布频率、全年路面轴载等级分布频率以及设计年限内不同温度区间的不同轴载等级的作用次数,并引入到计算路面结构面层层底拉应变的过程中,使拉应变更加符合路面实际情况。基于Miner疲劳累积损伤原理,计算不同温度区间、不同轴载等级下的P0-AC-25和P0.5-AC-25两种沥青混合料的疲劳累积损伤,进而得出抚吉高速公路普通沥青路面和高模量沥青路面基于疲劳累积损伤的使用寿命。研究结果表明:抚吉高速公路基于疲劳累积损伤的高模量沥青路面和普通沥青路面使用寿命分别为14.21、11.52年,故高模量沥青路面比普通沥青路面耐疲劳性能好,使用寿命约提高23.5%。以面层层底拉应变为力学指标的沥青混合料疲劳寿命预估,以及基于疲劳累积损伤的沥青路面使用寿命预估的新方法充分考虑了沥青路面结构温度区间分布和轴载等级分布,建立了较为精准的预估模型,准确描述了沥青混合料疲劳衰减的过程和规律。     

沥青混合料疲劳自愈性能关键影响因素

为了研究不同沥青混合料疲劳自愈性能影响因素的显著水平,进行了有休息期和无休息期的沥青混合料室内四点弯曲疲劳试验.通过定义愈合指数,对不同因素条件下的沥青混合料疲劳试验结果进行灰关联分析,分别研究了沥青种类、沥青含量、空隙率、温度、休息期、损伤程度对沥青混合料疲劳自愈性能的影响程度.结果表明,基于愈合指数可得到即时的沥青混合料自愈合率,而无需等待疲劳试验结束.沥青种类对沥青混合料自愈合能力的影响最显著;休息期和损伤程度与沥青混合料的自愈合能力关联显著,其影响仅次于沥青种类;空隙率、温度、沥青用量则影响不显著.在工程实践中,可通过合理选择沥青种类、控制交通流量等方式提高沥青路面自愈合性能.     

钢桥面沥青铺装层疲劳损伤分析与车辆轴载换算

采用力学近似方法,对钢桥面沥青混合料铺装层在循环荷载作用下的力学行为和疲劳损伤特性进行了理论分析.采用粘弹性损伤模型的能量转换方法对钢桥面沥青混合料铺装层应力场、应变场及损伤场分布状况进行研究.依据钢桥面沥青混合料铺装体系复合结构的应力场、应变场和损伤场在疲劳过程中的动态演变规律以及疲劳裂缝的形成机理,推导出钢桥面沥青铺装层疲劳性能方程和车辆轴载换算公式.结合南京长江第二大桥钢桥面铺装工程,应用所建立的疲劳性能方程以及轴载换算公式对钢桥面铺装层使用寿命进行预测.     

沥青混合料力学性质应力依赖性研究

为客观地反映沥青路面的力学行为,需要对温度、频率及应力状态这3个因素的影响进行综合考虑.通过对沥青混合料不同条件下动态模量试验结果的分析,表明沥青混合料的力学性质具有应力依赖性,尤其在温度较高时更为明显.以Sigmoidal函数为基础,结合Hirsh模型、k-θ模型和Arrhenius函数建立了沥青混合料动态模量应力依赖性的模型.根据试验结果确定了其参数,并对其进行了有效性验证.该模型将温度、频率及应力状态对沥青混合料力学性能的影响归入统一的数学公式中,可以方便地用于路面结构分析.利用非线性三维有限元对典型沥青路面结构进行了分析,得到了路面结构内的应力状态对沥青层动态模量分布的影响规律.     

考虑蠕变固结的高温沥青路面响应仿真

为研究行车载荷和高温作用下沥青路面的变形演化规律,通过对沥青混合料高温粘弹性特性和行车载荷对路面作用的分析,提出采用修正Burgers模型作为沥青混合料的本构模型,对双轮标准轴载作用下高速公路沥青路面的应力场和变形场进行有限元分析.研究结果表明:路表竖向位移增加最快,沥青混合料发生了流变;面层内部水平应力变化剧烈,底基层底面水平拉应力最大;最大剪应力出现在轮迹两边的面层内部,影响范围主要集中在路面结构层内,沥青混合料发生应力松弛现象;竖向最大应力出现在路表轮迹处,轮迹下方区域内压应力呈衰减趋势分布,面层是产生路面车辙的主要区域.     

考虑层间接触状态的沥青路面疲劳性能预估

受多场耦合影响的沥青路面层间性能逐渐劣化,致使路面结构应力重分布,进而加剧沥青路面的疲劳损伤.为了研究层间接触状态对沥青路面疲劳性能的影响,从小尺度车辙动态响应试验入手,进行沥青层层底拉应变的数据采集,并利用数值模拟进行验证.在此基础上,甄选比对国内外沥青混合料疲劳破坏模型,以影响因子与疲劳预估为核心,通过构建典型半刚性基层沥青路面三维有限元模型与理论分析综合确定了沥青层模量、基层模量、层间接触状态与荷载等核心预估变量,采用疲劳寿命比法进一步确定模型中各项参数,构建了考虑层间接触状态的实际在役沥青路面疲劳性能预估模型.研究成果对于改进现有沥青路面设计方法及提升路面设计与养护具有一定参考意义.     

基于统计学的再生沥青混合料疲劳性能试验研究

为研究再生沥青混合料(reclaimed asphalt pavement,RAP)掺量、温度、行车速度、车辆轴重对再生沥青路面疲劳寿命的影响,通过开展多因素(RAP掺量、试验温度、加载频率、控制应变)多水平的再生沥青混合料小梁四点弯曲疲劳试验,采用统计学方法分析了RAP掺量、试验温度、加载频率、控制应变对再生沥青混合料疲劳寿命与疲劳方程的关系,并改进了疲劳方程.结果表明:RAP掺量、控制应变、加载频率、试验温度对疲劳寿命影响的显著性较高,但RAP掺量与其他三因素的交互效应显著性不明显;四因素对再生沥青混合料疲劳寿命的影响程度为控制应变>试验温度>RAP掺量>加载频率;佩尔疲劳模型适用于再生沥青混合料疲劳寿命研究,此模型中的系数与RAP掺量、试验温度、加载频率相关度较高,此三因素可通过非线性拟合引入疲劳模型,且改进后的疲劳模型可靠度较高.     

沥青混凝土弯曲疲劳试验疲劳损伤分析

针对现有沥青混合料疲劳损伤试验时直接依据刚度或模量计算损伤值而无法真实反映材料微观损伤特性的不足,提出应用反分析方法以得到沥青混凝土的疲劳损伤演化规律。其步骤是：根据沥青混凝土疲劳损伤模型,得到三点弯曲梁试件疲劳损伤力学理论经典解;根据疲劳试验数据确定沥青混凝土材料疲劳损伤模型中的特征参数。应用非线性有限元方法,模拟计算并分析试件疲劳损伤过程中的弯拉应力、挠度、损伤变量、裂纹扩展速率等的变化规律,并预测沥青混凝土试件疲劳寿命及失稳断裂时的裂纹长度。研究结果表明：疲劳寿命的数值模拟结果与试验结果较吻合,证明了所提出的沥青混凝土疲劳损伤模型的合理性和有效性。     

温度对沥青混合料导热系数的影响及预估模型验证

为提高就地热再生加热过程中沥青路面温度场的计算精度,采用理论分析和试验相结合的方法,对温度影响沥青混合料导热系数的规律、沥青混合料导热系数预估模型及沥青路面传热模型进行研究。研发基于一维稳态传热原理的单防护平板法沥青混合料导热系数测试装置,测试不同温度下集料、沥青胶浆和沥青混合料的导热系数以及沥青形态随温度变化的规律,分析温度影响沥青混合料导热系数的机理,对比不同模型预估沥青混合料导热系数的精度;将沥青混合料导热系数随温度变化的函数引入沥青路面传热模型,对沥青路面传热模型进行优化,并通过模拟加热试验,对优化前后沥青路面传热模型的精度进行对比。研究结果表明：随着温度的升高,沥青逐渐由固态转化为液态,SBS沥青的软化点在50℃附近,导致沥青混合料导热系数在低于50℃时,随温度的升高而增大,在高于50℃时,随温度的升高而减小;Williamson模型、并联模型、串联模型和陈则韶模型中,Williamson模型预估的沥青混合料导热系数与试验结果吻合度最好;考虑沥青混合料导热系数随温度变化规律的沥青路面传热模型更精确,预估的沥青路面加热功率曲线与试验结果重合度好,为沥青路面就地热再生加热过程中加...     

沥青面层的疲劳等效温度

分析了沥青面层疲劳寿命与面层温度的均值和梯度的相互关系.基于疲劳损伤等效原则,给出了沥青路面面层疲劳等效温度的计算方法.根据全国95个地区多年的路面温度场数据,对沥青面层疲劳等效温度进行了计算和分析,总结了沥青面层基准疲劳等效温度与地区海拔、路表温度特征值(多年路表温度均值和标准差)之间的回归关系,据此推算得到了全国738个地区的沥青面层基准疲劳等效温度值,并绘制了可供设计采用的全国沥青面层基准疲劳等效温度等值线图,归纳了非基准条件下各因素对沥青面层疲劳等效温度的影响规律,给出了各因素修正计算式.最后通过对比分析,验证了沥青面层疲劳等效温度计算方法和结果的可靠性.     

沥青路面剪应力粘弹性响应分析

对典型沥青路面结构建立了粘弹性三维有限元模型,分析了半正弦荷载作用下路面结构内剪应力粘弹性响应的变化规律,并研究了温度、深度等因素对剪应力的影响.结果表明在半正弦荷载作用的末期,路面结构承受的剪应力由正向变为反向,在循环荷载作用下,路面结构承受正向和反向剪应力的重复作用,剪应力和剪应变随深度先增加后减小.在同一深度,剪应力随温度的增加而减小,但剪应变随温度的增加而增加.     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

新疆荒漠区沥青面层疲劳寿命分析

针对新疆荒漠区典型沥青路面结构,采用现场原型车辆加速加载试验手段,分析新疆荒漠区不同路面结构在实际路面荷载工况下,对沥青面层疲劳寿命的影响。结果表明:现场原型车辆加速加载作用下沥青路面层底最大拉应变随着时间的增长而增大,且与时间的数学模型关系为相关性较大的对数函数关系;当超载率从0.31%~39.84%时,沥青面层底拉应变急剧增加,从而加速了沥青路面疲劳破坏进程;同时,超载越严重沥青路面结构设计对增加路面疲劳寿命的影响就越小。     

单周期荷载作用下纤维沥青路面的动态响应

为了研究动荷载作用下纤维沥青路面的响应,基于弹性理论,应用有限元方法分析单周期动荷载作用下,不同的荷载作用时间、路面体阻尼比、土基模量和加载方式对不同纤维沥青路面结构的路表最大弯沉的影响规律.对于不同纤维沥青路面结构:不同荷载作用时间下,路面的动静态弯沉差值基本接近;随着路面体阻尼比的逐渐增加,路面的动态弯沉逐渐减小,但减小率和到达最大动弯沉对应的时间基本接近;随着土基模量的逐渐增加,路面的动态弯沉逐渐减小,但减小率基本接近;半矩形波荷载比半正弦荷载作用下的路面动态弯沉大,而弯沉差值基本接近.分析表明,在单周期动荷载作用下,纤维的加入提高了路面的整体抗变形能力,但对路面的动态弯沉影响规律基本相同.     

路面结构极限承载能力分析

针对某公路路面的早期损坏,进行了超载车辆的轴重及其轮胎接地面积和压力的调查.基于实际轴载的作用图式,分别应用弹性层状体系理论和弹性薄板理论有限元法分析了重荷载作用下,该公路沥青路面和水泥混凝土路面结构的力学响应.按照起决定作用的各结构层材料抗拉强度确定两种路面结构类型的极限承载能力,初步建立了分析路面结构极限承载能力的方法.分析结果表明,沥青路面早期损坏的根本原因是过大轴载对路面结构的一次性加载破坏,而不是轴载重复作用的疲劳破坏,按现行规范设计确定的水泥混凝土路面结构的极限承载能力明显高于沥青路面结构的极限承载能力.     

沥青路面在半正弦荷载下的力学响应

研究轮胎/路面的接触印迹特征及随机荷载作用特点,采用ABAQUS软件构建路面结构三维有限元模型,对半正弦荷载作用下的沥青路面力学响应进行分析。结果表明,半正弦荷载作用下沥青路面的上面层和中面层出现应力应变集中,应力应变值随路面深度的增加而逐渐减小;沥青路面的竖向、横向及纵向应力最大值均出现在上面层,且竖向应力最大,横向应力次之,纵向应力最小;竖向、横向应变最大值出现在上面层,纵向应变最大值出现在上-中面层,且路面结构内部出现反复的纵向拉-压变形,这很可能是沥青路面轮迹带附近材料产生疲劳损坏的根本原因。另外,荷载作用时间和路面温度对沥青路面应变的影响要大于其对应力的影响,路面温度的升高导致应变增大且延迟了残余应变的恢复时间。     

高温、重载、慢速条件下上坡沥青路面车辙

在调查我国某高速公路某段连续上坡沥青路面车辙病害的基础上,利用粘弹性理论,采用Burges模型模拟沥青混合料粘弹特性,计算了汽车通行一次情况下沥青路面的残余剪应变．全面分析水平力、车辆行驶速度、轴载和温度对上坡沥青路面车辙的影响．研究结果表明,上坡路段水平力对车辙的影响基本可以忽略,而温度的影响巨大,车辆行驶速度和重载的影响大致相当,但都明显小于温度的影响．高温、重载、慢速的不利组合是导致上坡沥青路面短期内出现车辙的决定性因素,而重载和慢速的联合影响是引起上坡车道反复出现车辙的主要原因．计算结果能够很好地解释现场调查发现的车辙病害现象．