本文選題：瀝青路面 + 疲勞開裂�。� 參考：《東南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：疲勞開裂問(wèn)題是影響瀝青路面使用性能和結(jié)構(gòu)性能的重要因素,由于該問(wèn)題自身所具有的復(fù)雜性和重要性,使得疲勞開裂問(wèn)題一直是道路領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的疲勞破壞研究總是將整個(gè)破壞過(guò)程分割為裂紋形成階段和裂紋擴(kuò)展階段,再分別獨(dú)立的進(jìn)行分析,難以將疲勞過(guò)程視為一個(gè)連續(xù)的、自然的過(guò)程,同時(shí)也缺乏研究疲勞裂紋自由擴(kuò)展的有效手段。隨著擴(kuò)展有限元技術(shù)(XFEM)的逐步應(yīng)用,為疲勞開裂問(wèn)題的研究開拓了新的方向,本文根據(jù)瀝青混合料的疲勞損傷特性并結(jié)合擴(kuò)展有限元方法,提出了一套能夠模擬結(jié)構(gòu)從疲勞損傷到裂縫形成再到裂縫疲勞擴(kuò)展這一全過(guò)程的有效方法。文章主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：在研究瀝青混合料的疲勞開裂行為之前,先研究了單調(diào)加載作用下材料發(fā)生一次性斷裂的過(guò)程,為后續(xù)疲勞開裂研究提供一定的基礎(chǔ)。本文以擴(kuò)展有限元法為基本手段,選取單邊切口梁、劈裂試件為研究對(duì)象,模擬瀝青混合料在I型和I-II復(fù)合型模式下的開裂路徑與開裂過(guò)程。通過(guò)深入分析試件的力學(xué)響應(yīng)變化、破壞形態(tài)等特性,闡述瀝青混合料的斷裂機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：小梁荷載達(dá)到峰值的時(shí)刻,位于損傷產(chǎn)生之后、裂縫形成之前：小梁的斷裂過(guò)程可以解釋為損傷帶內(nèi)拉應(yīng)力下降、未損傷帶內(nèi)拉應(yīng)力上升(未進(jìn)入損傷)或者上升后再下降(已經(jīng)損傷)的過(guò)程,且損傷帶長(zhǎng)度不斷增加。通過(guò)數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了擴(kuò)展有限元法是模擬瀝青混合料裂縫自由擴(kuò)展的有效手段。其次,根據(jù)疲勞損傷力學(xué)的基本原理,推導(dǎo)了小梁試件疲勞損傷的封閉解,通過(guò)編制用戶材料子程序UMAT實(shí)現(xiàn)了疲勞損傷力學(xué)的數(shù)值算法。針對(duì)傳統(tǒng)疲勞損傷模型在描述瀝青混合料勁度衰變中的不足,同時(shí)為了解決不同控制模式下疲勞破壞狀態(tài)難以確定的問(wèn)題,深入研究了瀝青混合料疲勞過(guò)程中的勁度變化規(guī)律與內(nèi)部機(jī)理,并最終統(tǒng)一了不同控制模式下的疲勞破壞狀態(tài),即將宏觀裂紋形成時(shí)刻作為最終破壞狀態(tài)。為了反映勁度的衰變規(guī)律以及疲勞極限的存在,提出了疲勞損傷修正模型,并基于三參數(shù)疲勞方程的回歸分析探討了疲勞極限的確定方法。研究表明：疲勞極限出現(xiàn)的標(biāo)志是存在某一個(gè)低應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn),使得兩參數(shù)方程的相關(guān)性明顯低于三參數(shù)方程,且回歸結(jié)果能通過(guò)t檢驗(yàn)；在已經(jīng)得到滿足要求的疲勞極限值后,沒(méi)有必要繼續(xù)降低應(yīng)變水平進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。為了使得損傷模型能夠有效的應(yīng)用,提出了疲勞損傷臨界值的概念及其確定方法,并研究了剩余強(qiáng)度的衰變規(guī)律,為后續(xù)疲勞斷裂的研究提供理論基礎(chǔ)。最后,對(duì)常用的小梁疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了疲勞損傷分析,促進(jìn)了損傷模型在工程實(shí)際中的應(yīng)用,并對(duì)疲勞過(guò)程中的疲勞壽命、勁度衰變、損傷演變以及力學(xué)響應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明：在控制應(yīng)變模式下,應(yīng)變實(shí)際上在增大,但以應(yīng)力的下降為主；在控制應(yīng)力模式下,梁底處應(yīng)力下降與應(yīng)變?cè)龃蠖己苊黠@。再次,通過(guò)分析疲勞破壞過(guò)程中材料所發(fā)生的一系列變化,將結(jié)構(gòu)的疲勞破壞分為三個(gè)階段：微觀裂紋形成階段、宏觀裂紋形成階段、宏觀裂紋擴(kuò)展階段,指出損傷累積并不是存在于疲勞過(guò)程中的某一個(gè)階段,而是貫穿整個(gè)疲勞破壞過(guò)程�；谛拚钠趽p傷模型和動(dòng)態(tài)XFEM開裂機(jī)制,提出了能夠反映疲勞開裂過(guò)程的材料本構(gòu)關(guān)系,繼而建立了一套完整的疲勞損傷-斷裂全過(guò)程模擬方法。通過(guò)編制用戶損傷起始準(zhǔn)則子程序UDMGINI,實(shí)現(xiàn)了模擬方法在有限元中的實(shí)際應(yīng)用。基于本方法,對(duì)半圓試件、含預(yù)切縫小梁試件、無(wú)預(yù)切縫小梁試件進(jìn)行了疲勞損傷-斷裂全過(guò)程模擬,分析了疲勞裂縫擴(kuò)展規(guī)律以及開裂過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)、疲勞損傷累積等特性,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,檢驗(yàn)了模擬方法的有效性。結(jié)果表明：含預(yù)切縫小梁I型和I-II復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展具有突然性和快速性；無(wú)預(yù)切縫小梁的宏觀裂紋擴(kuò)展階段壽命在總壽命中的比例僅占13.4%,與試驗(yàn)結(jié)果(10.2%)基本一致；小梁整體勁度衰變規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,宏觀裂紋形成時(shí)刻是勁度衰變速度加快的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。最后,根據(jù)前文提出并驗(yàn)證了的疲勞損傷-斷裂全過(guò)程模擬方法,建立瀝青路面結(jié)構(gòu)模型,模擬路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷-疲勞裂縫形成-裂縫擴(kuò)展-結(jié)構(gòu)破壞的全過(guò)程。分別對(duì)無(wú)損路面疲勞損傷-斷裂過(guò)程以及反射裂縫疲勞擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了研究,深入分析了瀝青路面疲勞破壞的特征與機(jī)理,尤其是疲勞裂縫在路面結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)展規(guī)律,以加深對(duì)路面疲勞開裂行為的理解。分析表明：無(wú)損路面疲勞擴(kuò)展階段的壽命占全過(guò)程壽命的百分比為38%,約為裂縫形成階段壽命的0.6倍；在底基層存在初始裂縫的條件下,基層反射裂縫形成與擴(kuò)展階段的總壽命僅為21萬(wàn)次,且反射裂縫在基層擴(kuò)展的速率是無(wú)損結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展速率的49倍,符合早期病害的特征。根據(jù)本文模擬得到的結(jié)果,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)不同階段壽命的預(yù)估,對(duì)現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)和新建路面結(jié)構(gòu)的抗裂設(shè)計(jì)均具有一定的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:In this paper , based on the basic principle of fatigue damage mechanics , this paper presents a new method to simulate the fatigue damage of asphalt mixture .
In order to make the damage model effective , the concept of fatigue damage threshold and its determination method are put forward . In order to make the damage model be applied effectively , the fatigue damage threshold value is analyzed , the fatigue life , stiffness decay , damage evolution and mechanical response in the fatigue process are studied .
Based on the modified fatigue damage model and the dynamic XFEM cracking mechanism , this paper presents a complete simulation method of fatigue damage - fracture . Based on the modified fatigue damage model and dynamic XFEM cracking mechanism , this paper presents a complete simulation method of fatigue damage - fracture . Based on the modified fatigue damage model and dynamic XFEM cracking mechanism , this paper presents a complete simulation method of fatigue damage - fracture .
The proportion of the life of the macrocrack growth phase with no pre - slit small beam in the total life was only 13.4 % , which was basically consistent with the test result ( 10.2 % ) .
The whole process of fatigue damage - fracture process and fatigue crack growth process of asphalt pavement is studied . The fatigue damage - fracture process and fatigue crack growth process of asphalt pavement are studied . The fatigue damage - fracture process and the fatigue crack growth process of asphalt pavement are studied .
Under the condition of the initial crack in the base course , the total lifetime of the base layer reflection crack formation and expansion phase is only 21 thousand times , and the rate of the reflection crack at the base layer is 49 times of the crack propagation rate of the non - destructive structure , which accords with the characteristics of the early disease . According to the simulation results , it is possible to realize the estimation of the life of different stages of the asphalt pavement structure , and has certain guiding significance to the evaluation of the existing pavement structure and the anti - cracking design of the new pavement structure .
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U416.217;U418.66
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本文編號(hào)：2018482