应用J积分断裂准则评价应力吸收层抗裂性能

应用弹塑性断裂力学J积分理论,采用半圆弯曲试验评价了3种级配应力吸收层的抗裂性能,发现采用断级配设计的应力吸收层具有良好的抗裂性能,结果表明断裂韧度JC可以用来评价应力吸收层的抗裂性能,由丰富沥青胶浆填充断级配骨架结构的级配设计,可以提高沥青混合料的抗裂能力。     

应力吸收层温拌橡胶沥青混合料性能

为解决半刚性基层沥青路面和旧路加铺沥青层存在的反射裂缝问题,提出设置温拌橡胶沥青混合料应力吸收层防治反射裂缝的产生。针对寒冷地区低温特点,对用作应力吸收层的SAK-Ⅰ温拌橡胶沥青混合料进行了组成设计,通过正交试验确定橡胶沥青的最优组合和生产工艺,确定混合料的原材料、配合比和级配,采用旋转压实法成型混合料试件;通过车辙试验确定混合料的高温性能,根据低温弯曲试验和约束试件温度应力试验确定混合料的低温性能,依据浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验确定混合料的水稳定性能,对用作应力吸收层的SAK-Ⅰ温拌橡胶沥青混合料的性能进行系统研究,并将SAK-Ⅰ温拌橡胶沥青混合料与热拌橡胶沥青混合料、Sasobit温拌橡胶沥青混合料的路用性能进行对比。研究结果表明:SAK-Ⅰ温拌剂能够使温拌橡胶沥青混合料在拌和温度与压实温度降低30℃的情况下,仍具有较好的高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能,其路用性能优良;冻断温度比破断强度、转折点温度和温度-应力曲线斜率更能准确评价温拌橡胶沥青混合料的低温抗开裂能力,冻断温度可作为评价温拌橡胶沥青混合料低温抗裂性能指标;SAK-Ⅰ温拌橡胶沥青混合料的路用性能比SBS改性沥青混合料的路用性能高,更适合在寒冷地区应力吸收层中推广使用。     

级配对应力吸收层沥青混合料性能的影响

为研究混合料级配对富沥青、砂粒式应力吸收层沥青混合料路用性能的影响,提出适于应力吸收层混合料的级配类型;在选用优质高粘性沥青作为结合料的基础上,应用改进的Superpave方法设计了AC、间断、S型和SMA等6种典型级配的应力吸收层混合料,并分别对其疲劳性能、抗拉性能和低温变形性能等进行了室内试验研究.结果表明:AC类级配及间断级配兼顾耐疲劳、常温抗拉和低温变形强等优良力学性能,且对应的混合料沥青结合料含量(质量分数)适中;建议在实际工程应用中,富沥青、砂粒式应力吸收层沥青混合料应尽可能优先选择这两类级配.     

应力吸收层沥青混合料的路用特性

通过对自主研发的Sampave特种改性沥青的应力吸收层混合料进行低温弯曲试验,分析沥青结合料对应力吸收层沥青混合料低温抗裂性能的影响;采用拉伸与拉压疲劳试验,比较不同沥青结合料的应力吸收层混合料抗拉伸变形与抗拉压疲劳性能.结果表明,研发的Sampave特种改性沥青混合料具有优良的低温抗裂、抗拉伸和抗拉压疲劳性能,但单一改性剂SBR改性沥青并不能达到应力吸收层沥青结合料的性能要求.     

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.     

开级配大粒径沥青碎石防裂层沥青路面应力与抗裂机理数值分析

反射裂缝是半刚性基层沥青路面和刚性基层沥青路面的主要病害之一,针对这一问题,提出了采用开级配大粒径沥青碎石混合料作为裂缝缓解层的方法,利用其大粒径矿料多、沥青含量少及空隙率大的结构特点消散及吸收裂缝处路面应力。以国内外OLSM参考级配为基础,结合试验段修筑情况,采用有限元方法,建立设置OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面三维有限元模型,对设置不同类型裂缝缓解层、1~#-3~#级配OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面结构进行热-荷载耦合应力对比分析,从宏观力学响应方面阐释了OLSM-25裂缝缓解层的抗裂机理。结果表明:与相同厚度的普通AC-25裂缝缓解层相比,OLSM-25裂缝缓解层的温度敏感性相对较小,具有较高的承载能力和良好的应力消减及缓解性能;在相同的外部荷载作用下,随着1~#-3~#级配OLSM-25空隙率的增大,以及抗压回弹模量和线膨胀系数的降低,其自身的车辆荷载应力、温度应力、耦舍应力呈总体降低趋势。在实际工程应用中,仅从缓解应力效果及抗裂性能方面考虑,选择级配偏粗、空隙率较大的3~#级配OLSM-25作为裂缝缓解层效果较好,但应严格控制施工中的离析问题。     

基于间接拉伸开裂方法评价超薄磨耗层混合料抗裂性能

通过间接拉伸开裂（IDEAL-CT）试验方法,研究了不同级配及油石比条件下超薄磨耗层混合料的抗裂性能。结果显示,级配变密会导致混合料整体强度上升,抗变形能力下降,同时会加快裂缝扩展速度,混合料抗裂性能下降。油石比的增加会使混合料抗变形能力提升,延缓裂缝扩展速度,使得混合料抗裂性能增强。皮尔逊相关性分析结果表明,随着超薄磨耗层混合料的孔隙率和沥青膜厚度的增加,混合料整体强度降低,抗变形能力提升,裂缝开裂速度下降,混合料整体抗裂性能增强,因而超薄磨耗层混合料设计过程中可通过提升孔隙率和沥青膜厚度来增强混合料的抗裂性能。对于IDEAL-CT试验指标,断裂能不适用于评价超薄磨耗层混合料抗裂性能。     

沥青结合材料低温抗裂性能分析及寒区新型沥青混合料设计

为了解决寒区沥青路面低温开裂现象,设计适用于寒冷地区应用的新型沥青混合料.基于小梁弯曲试验获取基质沥青、沥青胶浆、沥青细料组合体低温应力-应变曲线,以弯曲应变能密度临界值评价上述3类结合材料的低温抗裂性能.掺配不同粒径的胶粉颗粒使之与AC-13混合料中的细矿料级配一致,并替换50%,的常规细矿料从而制备寒区高性能沥青混合料.通过车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验对其路用性能进行评价.结果表明常规沥青细料组合体极差的低温抗裂能力是寒区沥青混合料低温开裂的重要原因.以同级配的胶粉颗粒体替代50%,的常规细矿料后,沥青混合料的路用性能得到明显改善,其低温抗裂性能、水稳定性能有较大提高,但其高温稳定性能略有降低.该项研究为后续寒区沥青路面的设计及施工奠定理论基础.     

EME2高模量沥青混合料性能对比试验研究

目的对EME2沥青混合料的级配设计、性能指标进行对比试验,并提出EME2沥青混合料设计推荐指标及技术要求.方法针对不同沥青混合料设计方法的差异,采用不同沥青混合料设计方法进行筛分试验及级配设计,并对体积指标、水稳定性、高温稳定性、模量性能、疲劳性能、低温性能进行了对比试验.结果对于连续级配中国沥青混合料筛分方法可以代替法国的筛分方法;不同沥青混合料级配设计方法的体积指标有较大的关联性.EME2沥青混合料的水损坏性能可以用冻融劈裂和AASHTOT283试验代替法国多列士试验进行评价;高温抗车辙性能可以采用中国车辙试验(70℃,轮压1.0 MPa)以及汉堡试验进行评价;力学性能可以采用动态模量(温度15℃,频率10 Hz)进行控制以及采用4点弯曲疲劳试验代替法国的两点弯曲试验进行疲劳性能评价;低温性能则可以采用低温弯曲小梁试验进行低温评价.结论EME2沥青混合料具有良好的水稳定性、抗高温抗车辙性能、较高的模量的力学性能、抗疲劳性能,同时满足其低温指标的要求,表明EME2沥青混合料是一种可值得推荐和推广的沥青混合料.     

分形裂纹的断裂参数

基于分形几何学,推导了含Ⅰ型分形单裂纹的无限大平板在单向受拉时的临界开裂应力、断裂韧性、裂纹扩展力和断裂能的理论公式.以标准Koch分形曲线构造裂纹的边界,并由分形区域周长与面积的关系推导出平板的弹性应变能.利用Griffith断裂准则得到材料开裂的临界应力,并在此基础上给出了断裂韧性、裂纹扩展力以及断裂能的表达式,从而将G判据推广到分形裂纹情形,并对其进行数值计算以分析各参数的影响.结果表明:材料的断裂韧性与裂纹长度呈反向关系;裂纹的量测尺度将影响断裂韧性与分形维数的关系;裂纹越粗糙、长度越长,材料的断裂能越大.文中还证明了裂纹扩展的非光滑性.     

库车东部碎屑岩地层曲率对裂缝发育的影响

为了研究地层曲率对构造裂缝发育的控制作用, 以库车东部中?下侏罗统至三叠系碎屑岩地层为例, 选取其中3 个褶皱或与断层相关褶皱(比尤勒包谷孜背斜、克孜勒努尔沟断层转折褶皱和阳霞煤矿牵引褶皱)为测量剖面, 进行构造裂缝面密度测量和地层曲率统计。结果表明: 地层曲率会影响构造裂缝的发育程度, 在同一地层中, 曲率大的位置比曲率小的更容易发育裂缝, 并且裂缝密度与地层曲率之间呈正线性关系。从固体力学角度对地层曲率影响裂缝发育的力学机制进行探讨, 认为裂缝密度与应力分布密切相关, 而应力与曲率呈正比例关系, 因此裂缝密度与地层曲率呈线性关系, 此结论对于弹性和塑形挠曲都成立。     

基于峰后特征的深部隧道围岩分层断裂数值分析

为了揭示深部隧道工程围岩的分层断裂机理而展开数值实验研究.分析了深部地层岩体历史及赋存环境,认为深部岩体在力学上处于峰后阶段,根据岩石峰后应力-应变特征选定了围岩的峰后特征指标及其开挖响应方程.建立了数值实验模型,设计了开挖数值模拟的围岩响应监控方案.完成了大量的开挖数值模拟,实现了深部围岩分层断裂现象在数值模拟中的重现.基于实验中围岩应力、变形分布的全程监测结果,在确定围岩分层断裂产生条件的基础上,进一步研究得到了围岩分层断裂层数、分层断裂圈半径、最大峰值应力等参数与峰后特征指标的关系.根据地下结构开挖围岩应力重分布及岩石力学破裂机理,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制.所得数值模拟结果,为深部工程围岩的分层断裂提供了验证依据,消解了长期以来数值模拟中没有观察到分层断裂现象的困惑.     

用界面元分析层状陶瓷的三点弯曲断裂性能

采用无厚度界面单元对层状陶瓷的断裂性能进行了数值研究．在三点弯曲断裂试验中,可以观察到层状陶瓷裂纹扩展同时具有贯穿裂纹和层间裂纹两种形式．在本的有限元计算中,对两种不同形式的裂纹扩展采用了不同的计算方法．对于纵向扩展的贯穿裂纹,采用最大拉应力破坏准则,而对于横向的层间裂纹扩展,则用无厚度的界面单元的破坏进行模拟．对层状陶瓷试件的层数与断裂性能关系的计算可以得到以下结论：随着层状陶瓷的层数的增加,其断裂性能逐步提高,但是增幅逐渐减少,到20层左右时,再增加层状陶瓷的层数,对提高断裂性能并无太大的帮助．     

基于广义最大周向应变准则的断裂特性研究

裂纹尖端应力场的非奇异性常数项（T应力）对脆性或准脆性材料的断裂特性及裂尖塑性区的形状和大小都有显著的影响。为了探究T应力对脆性或准脆性材料I~II复合型断裂特性的影响规律,基于先前研究中提出的计及T应力影响的广义最大周向应变准则进一步讨论了T应力、裂纹尖端的临界距离r₀和泊松比ν对中心裂纹圆盘试件的裂纹扩展路径以及临界应力强度因子的影响规律,并利用该准则对基于中心裂纹圆盘试件的断裂试验结果进行了有效评估。结果表明：与传统的最大周向应变准则相比,中心裂纹圆盘试件中由于负T应力的存在,会使得裂纹开裂角的绝对值减小,同时使得临界应力强度因子（断裂韧度）的值增加。考虑了T应力影响的广义最大周向应变准则能很好的对试验结果进行预测;并且在纯II型时,基于广义最大周向应变准则的理论预测值比基于广义最大周向应力准则的理论预测值更接近试验值。     

水力喷砂射孔孔道裂缝起裂机理研究

与传统射孔工艺相比,水力喷砂射孔方法产生的地层孔具有孔径大、孔道长和孔数少特点。针对射孔孔道影 响压裂裂缝形态问题,开展孔道周围应力分布及起裂机理的研究工作。研究中采用三维有限元数值模拟结合室内实 验验证的方法,分别从布孔方式、射孔方位和水平井筒方位方面,揭示了水平井近井筒区域喷砂射孔孔道产生的3 种 裂缝形态。研究表明,压裂裂缝倾向于从射孔孔道根部位置起裂;水平井筒与最小水平主应力夹角小于30°,两层布孔 可在近井筒区域产生一条横向裂缝,螺旋布孔和对称布孔产生多条横向裂缝;纵向裂缝比横向裂缝更易于产生,形成 纵向裂缝与横向裂缝相结合的扭曲裂缝;水平井筒与最小水平主应力夹角大于80°,产生一条纵向裂缝,与喷砂射孔参 数无关。该研究可为水平井水力喷砂射孔及压裂合理施工提供理论指导。     

脆性材料复合裂纹断裂判据研究

研究了混凝土等拉压强度不等的脆性材料在平面应力和平面应变情况下裂纹附近的塑性区的范围，并给出了相应的表达式；运用在一定外力作用下物体内等效应力作为断裂判据，推测含复合裂纹的脆性材料的裂纹扩展时的临界条件相扩展方向，计算了试件在6个不同裂纹角时断裂角的大小，其结果与最大周向正应力理论判据、最小应变能密度理论判据及实验结果比较，说明用最小等效应力作为含复合裂纹的脆性材料的裂纹断裂判据是可行的．     

金属板材渐进成形的数值模拟及破裂预测

针对板材渐进成形破裂预测对应变路径的过分依赖且无法实时预测的问题,首先,运用FORTRAN语言,通过ABAQUS有限元软件的材料子程序接口,将于忠奇破裂准则引入DC56D+Z钢板的VUMAT材料子程序中;其次,分别将于忠奇模型与ABAQUS自带Von Mises模型进行单向拉伸和渐进成形的模拟;最后,结合渐进成形实验与有限元模拟分析,以实验结果为标准,根据有限元模拟的结果,逆向寻找出于忠奇准则下渐进成形模型的临界破裂积分值I.研究结果表明:两种有限元模型的应力应变大小数量级相同,分布一致,从而说明了该子程序的有效性;渐进成形模拟过程中最大破裂积分值I出现的位置在零件的侧壁,与实验结果一致,积分值I=17可以作为预测渐进成形过程中板材是否破裂的有效条件.