基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明：沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。     

基于离散元法的沥青混合料复合断裂行为研究

为了从细观角度深入分析沥青混合料复合断裂机理,基于沥青混合料细观结构特征,将材料分为粗集料、沥青砂浆和空隙3个组分,确定宏、细观接触模型参数的转换关系,构建具有细观特征的离散元模型;通过室内试验的结果验证了虚拟模型参数设置的合理性;基于数值模型进行不同预裂缝位置的三点弯曲梁试验,并对试件的裂缝扩展、应力水平和颗粒位移进行分析.结果表明:控制裂缝路径的主要因素是断裂模式,其次是集料与裂缝的相对位置,主裂缝扩展角较好地符合最大周向应力准则;随着Ⅱ型开裂比例的增加,沥青混合料断裂过程区的宽度变小,裂缝尖端主应力水平降低,软化特征逐渐减弱;裂缝两侧的位移随着预裂缝的偏移逐渐增大,试件趋于脆性破坏.     

沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命预测

由于沥青混合料的疲劳裂纹扩展一般难以用传统的Paris公式描述,文中基于能耗的观点,研究了沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳演化规律.试验采用半圆弯曲试验方法,在MTS试验系统上进行了3种级配的沥青混合料的断裂韧度试验和疲劳试验,定义了半圆弯曲试验方法中沥青混合料的裂纹起裂点和疲劳破坏点.研究结果表明:具有断级配的应力吸收层沥青混合料具有很好的抗裂性能和抗疲劳性能;混合料累积疲劳破坏能符合Miner线性假定;沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性.通过拟合VanDijk能耗公式参数而建立的以断裂韧度为参数的预测模型可以方便地预测沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命.     

基于内聚力模型的沥青混合料劈裂试验模拟

为了深入分析沥青混合料在荷载作用下的破损机理,引入了内聚力模型.使用双线性内聚力模型模拟了沥青混合料劈裂试验过程,比较并分析了数值模拟结果和试验结果,研究了劈裂试验过程中试件纵轴上的法向应力分布、损伤规律以及裂缝的形成和扩展情况,描述了劈裂试验的全过程.结果表明:双线性内聚力模型数值模拟结果和试验结果相当吻合,因而可以用来模拟沥青混合料的损伤断裂行为;劈裂试件纵轴上两端为压应力,中间为拉应力,且试件两端产生了显著的压应力集中;试件纵轴上的损伤值和损失长度随着荷载的增加而增加;纵轴中间的损伤值达到1时,试件中就会产生一定长度的宏观裂缝,而后裂缝向两端扩展,但扩展速率逐渐减小.     

沥青混合料裂纹扩展阶段疲劳寿命预测

由于沥青混合料的疲劳裂纹扩展一般难以用传统的Paris公式描述,本文基于能耗的观点,研究沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳演化规律。试验采用半圆弯曲试验方法,在MTS试验系统上进行了三种级配的沥青混合料的断裂韧度试验和疲劳试验,定义了半圆弯曲试验方法中沥青混合料裂纹起裂点和疲劳破坏点。研究结果表明具有断级配的应力吸收层沥青混合料具有更好的抗裂性能和抗疲劳性能;混合料累积破坏能符合Miner线性假定;沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性。通过对Van Dijk能耗公式参数拟合建立的以断裂韧度为参数的预测模型可以更方便的预测沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命。     

沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性变形

为了研究沥青混合料在不同温度、不同应力下黏弹性变形响应,提出了基于三轴重复荷载试验评价沥青混合料抗车辙能力的方法,并对沥青路面车辙发展规律进行了分析。采用半正弦波荷载来模拟路面实际车辆荷载,基于黏弹性五单元八参数模型,推导了能够适用于三轴重复荷载试验的力学模型。结合三轴重复荷载试验的试验结果,利用Origin 8.5软件,对三轴重复荷载试验数据进行拟合,得到了相应的黏弹性参数。对比计算流动数和实测流动数,分析沥青混合料黏弹性变形特性。研究结果表明,温度越高、应力越大,混合料黏弹性变形越大,流变性越小;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合相关系数达到95%以上,表明该模型可以有效地反映沥青混合料黏弹性变形特性。     

干湿循环作用下沥青混合料损伤开裂机制分析

为研究干湿循环作用对沥青混合料抗裂性能的影响，利用数字图像处理技术建立沥青混合料细观数值模型，并测试得到不同温度下石料和沥青胶砂的水扩散系数。基于菲克定律分析温度和干湿循环耦合作用下沥青混凝土内部干湿状态。运用USDFLD场变量更新方法实现干湿状态与力学参数耦合，对干湿循环作用后沥青混合料弯曲破坏性能和裂纹发展情况进行模拟分析。结果表明：胶砂黏聚损伤对沥青混合料抗弯承载能力的影响最显著。在干湿循环过程中，混合料内部水分单调增加。干燥阶段，水亦会继续向内部扩散，从而引起混合料内部水损伤。干湿循环作用次数增多，混合料内部微裂纹萌生时刻提前，主裂缝扩展速率加快。     

恒幅循环荷载作用下FRP加固桥梁疲劳寿命预测

在线性渐进叠加假定的基础上,理论推导了三点弯曲荷载下FRP加固桥梁应力强度因子的计算公式,并结合FRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验,分析了FRP加固梁裂纹的扩展行为,验证了裂缝口张开位移CMOD的经验公式可用于计算标准三点弯曲梁的裂缝口张开位移,进而计算断裂模型中梁的临界有效裂缝长度.利用线弹性断裂力学中应力强度因子对疲劳裂纹扩展进行定量描述,进而对FRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究.     

基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究

为了从细观层次研究沥青混合料内部损伤失效机理,采用三维激光扫描技术获取真实集料三维形态信息,根据其形态特征参数提出一种三维随机凹凸型集料建模方法,并构建三维虚拟集料库。使用Monte Carlo方法构建AC-13三维虚拟试件,利用多刚体动力学方法模拟试件压实过程。采用截面算法获取沥青混合料二维细观模型,在模型有效性和准确性得到验证的基础上利用该模型开展虚拟间接拉伸试验,运用内聚力模型和广义Maxwell模型表征沥青混合料断裂行为和黏弹特性,引入断裂损伤指标D_m量化其内部损伤,并利用虚拟试验探讨温度对沥青混合料断裂行为的影响。结果表明,在宏观层次,主裂纹不受温度影响,沿着粗集料的边界逐渐发展直至试件破坏;在细观层次,相较于沥青内部界面单元,沥青-集料界面单元更易出现损伤,更快达到损伤失效点,且受温度影响显著。     

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。     

沥青路面Top-Down裂缝的断裂力学分析

采用移动荷载模式,在有限元方法中利用动态模量主曲线和时间-温度位移因子来表征沥青混合料的力学性质,利用断裂力学的方法分析了温度、车速、裂缝长度和基层类型等对沥青路面Top-Down裂缝裂尖应力强度因子的影响.研究表明随着裂缝长度增加和温度降低,张开型应力强度因子(KⅠ)和剪切型应力强度因子(KⅡ)的峰值增加.行车速度对应力强度因子的作用频率有显著影响,较慢的行车速度会加速Top-Down裂缝的扩展.与采用粒料基层相比,采用半刚性基层可降低裂尖应力强度因子.随着温度升高和裂缝长度增加,KⅠ对裂缝扩展的贡献减小,而KⅡ的贡献逐渐增加.     

Cape路面荷载型反射裂缝的细观数值分析

用细观数值方法分析Cape路面抗反射裂缝性能的主要影响因素;利用有限元方法进行数值分析,材料参数根据试验数据利用最优化方法拟合得出.数值分析表明,Cape路面的沥青碎石采用较低的沥青含量时,其抗反射裂缝性能较好,而采用较低的空隙率时则有不利影响,但这种不利的影响程度并不大;基层裂缝附近的Cape路面与旧路面可脱开时,反射裂缝不易萌发与扩展,但脱开长度不宜过大;摊铺厚度较大时其抗反射裂缝性能较高,但综合考虑摊铺厚度不宜超过5~6 cm;较好的基层处理质量能减缓反射裂缝的扩展;采用半开级配的沥青碎石能够消散应力,减缓反射裂缝的萌发与扩展.     

沥青混凝土断裂性能模拟研究

沥青混凝土开裂是沥青路面的主要病害之一。采用标准半圆形弯曲梁(SCB)试验及有限元模拟对沥青混凝土断裂机理进行研究。结合内聚力单元法与随机骨料建模技术对沥青混凝土断裂行为进行模拟仿真,通过生成随机骨料模型,探究骨料随机分布对沥青混凝土断裂行为的影响。结果表明:该模拟方法考虑了骨料对裂缝扩展的影响,能够有效地预测沥青混凝土的断裂行为,对沥青路面设计具有指导意义。     

聚酯玻纤布防荷载型反射裂缝室内模拟试验

为了评价浸渍沥青的聚酯玻纤布的防反射性能和延缓沥青加铺层的反射裂缝,对已开裂的半刚性基层沥青路面建立的有限元模型进行了有限元力学分析.根据力学计算分析的结果和相关文献,设计了荷载型反射裂缝室内模拟模型.利用模拟模型,分别对是否采用聚酯玻纤布或玻纤格栅的AC20Ⅰ普通沥青混合料和AC20ⅠSBS改性沥青混合料进行弯拉型和剪切型反射裂缝模拟试验,并分析比较了不同试件的防反射能力.结果表明,聚酯玻纤布与沥青混凝土复合试件的抗裂能力较纯试件和玻纤格栅的试件优.通过力学计算设计的室内模型能较好地模拟荷载型反射裂缝和评价不同混合料的抗反射裂缝能力;聚酯玻纤布能有效地延缓反射裂缝的出现,从而延长沥青加铺层的使用寿命.     

基于180 s劲度模量的低温开裂指数预测

提出了一种通过材料性能测试，预测5～10年状况下沥青路面实际开裂的方法。依托开裂指数同沥青材料低温性能的关系，利用CAM模型(一种数学模型)拟合得到了5类常用沥青的180 s劲度模量值，预测并提出了PAV(压力老化)状态下各类沥青的开裂指数。通过数据分析，验证了该种模拟方式预测的准确性。借助长吉高速实地芯样开裂情况调研，验证CI值(低温开裂指数)对沥青路面实际开裂水平的预测效果。结果表明，CAM模型下得到的沥青梁180 s模量计算方法简单，数据置信度高，预测得到的SBS改性沥青开裂指数与路面实际开裂水平一致，证明了利用沥青材料性能预测路面实际抗裂能力这一方法的可行性。依据规范提法，给出了五类北方常用沥青的CI值参考区间。     

动荷载作用下沥青路面的表面裂缝扩展研究

【目的】研究沥青路面表面裂缝在动荷载作用下的扩展行为,分析完整沥青路面结构和含表面裂缝结构的负荷响应,探讨应力强度因子K₂随着荷载变化的规律,以及表面裂缝在扩展过程中K₂的敏感性,为公路工程中路面结构抗裂设计提供一定理论依据。【方法】应用有限元软件ABAQUS建立沥青路面表面裂缝结构模型,基于动力学理论对交通荷载作用下沥青路面结构进行数值计算。【结果】动荷载作用下,完整沥青路面的表面弯沉较静态荷载有所减小,随着裂缝扩展深度的增大,弯沉值会逐渐增大; 动应力强度因子K₂的变化曲线较荷载变化曲线具有一定的滞后性,且最大值大于静态荷载下K₂的值; 表面裂缝向下扩展过程中,K₂在扩展前期增长速率较快,扩展至面板厚度一半后,K₂的增长速率逐渐放缓; 减小面层模量、增大基层模量和厚度,能够较好地抑制表面裂缝的扩展,其余参数则影响较小; K₂随着行车荷载的增大呈线性增长趋势,裂缝扩展越深K₂增加越显著。【结论】延长含表面裂缝的沥青路面结构的使用寿命,较好的方法是减小面层动态模量,适当增大基层的动态模量以及增大基层的厚度。     

沥青混凝土路面纵向裂缝发展影响因素初探

路面裂缝是长期困扰建设者的问题之一。针对沥青混凝土路面纵向裂缝的问题,建立路基路面结构的三维模型,运用三维有限元对其进行分析。根据数值分析的结果,得到路面与轮胎接触面下处于复杂应力状态,轮隙（并排两轮向的缝隙）中心点处于x,y方向受拉,z方向受压的应力状态,该状态可加剧纵向裂缝的发展。同时,沥青混凝土面层在荷载作用下的差异沉降也可导致和加速纵向裂缝的产生、发展及路面损坏。得出的结论为进一步研究纵向裂缝出现的原因、影响因素及发展规律等提供了基本依据。     

西藏沥青路面裂缝温度疲劳扩展寿命分析

为了研究温度收缩对沥青路面开裂的影响规律,在考虑沥青混凝土弹性模量及温缩系数随温度改变的变化规律的基础上,采用断裂力学有限元模型对温度型表面裂缝及反射裂缝的扩展进行动态分析,并预估2种温度裂缝疲劳断裂寿命.结果表明:不同变温条件下,裂缝扩展的应力强度因子K呈现出不同的增长趋势,温降越大,裂缝扩展越快;基准温度越低,裂缝扩展越快.其中表面裂缝温度疲劳扩展寿命要远远小于反射裂缝的温度疲劳扩展寿命,路面结构参数对反射裂缝温度疲劳扩展的影响则要明显高于对表面裂缝温度疲劳扩展的影响.