瀝青路面疲勞損傷特性和抗疲勞

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1、交通部重點(diǎn)科技項(xiàng)目瀝青路面疲勞損傷特性及抗疲勞破壞的措施與方法研究長沙理工大學(xué)周志剛教授、博導(dǎo)一、課題主要研究內(nèi)容1、各向同性彈性損傷理論研究2、瀝青混合料疲勞損傷特性試驗(yàn)研究3、瀝青路面抗疲勞破壞措施及方法研究4、路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷理論的試驗(yàn)路驗(yàn)證二、主要研究成果1、各向同性彈性損傷理論研究（1）基于不可逆熱力學(xué)基本定律，建立了完整的各向同性彈性損傷理論，克服了經(jīng)典彈性損傷理論存在的缺陷；（2）針對梁式試件疲勞試驗(yàn)，給出了傳統(tǒng)疲勞經(jīng)驗(yàn)公式的損傷力學(xué)解釋；（3）將前述損傷理論用于瀝青路面的疲勞損傷析，并對疲勞過程中的位移幅值演變過程進(jìn)

2、行了數(shù)值模擬計(jì)算。2、瀝青混合料疲勞損傷特性試驗(yàn)研究(1)通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)建立Burgers參數(shù)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系及其變化規(guī)律，進(jìn)而將Burgers模型直接應(yīng)用于模擬和分析瀝青混合料的重復(fù)加載試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分接近；(2)采用自制設(shè)備進(jìn)行了瀝青混合料的低溫低頻疲勞試驗(yàn)，得到以累積耗散能表達(dá)的瀝青混合料的低頻疲勞方程；(3)采用約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)儀（TSRST）進(jìn)行了約束試件溫度疲勞試驗(yàn)，得到以累積耗散能表達(dá)的瀝青混合料的溫度疲勞方程。3、瀝青路面抗疲勞破壞措施及方法研究加鋪土工合成材料夾層所發(fā)揮的作用：(1)對瀝青

3、面層開裂起到橋聯(lián)增韌效應(yīng)；(2)延緩因持續(xù)大幅降溫引起的反射裂縫；(3)延緩因溫度循環(huán)變化引起的反射裂縫；(4)改善半剛性基層瀝青路面的疲勞壽命；(5)改善舊水泥混凝土瀝青路面的疲勞壽命。4、路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷理論的試驗(yàn)路驗(yàn)證在河南省高速公路新鄉(xiāng)段和廣東省廣佛公路佛山段分別采用不同的抗裂措施(鋪設(shè)不同類型玻璃纖維格柵、土工布以及不同鋪設(shè)方式，預(yù)切裂縫等)。經(jīng)過幾年開放交通運(yùn)行使用，這些不同措施發(fā)揮了不同程度的抗裂作用。三、各向同性彈性損傷理論研究1、應(yīng)變等效假設(shè)與經(jīng)典損傷理論~??一維線彈性本構(gòu)關(guān)系:???（1）EE(1?D)三維彈性

4、應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系:??c?(1?D)?2?(1?D)???(1?D)??（2）ijijklklijkkij112Y?c????(?)????損傷應(yīng)變能釋放率:2ijklijkl2kkijij（3）式中為材料無損時(shí)的四階彈性張量，為Kronecker張量。~~損傷材料的有效Lame常數(shù)：???(1?D),???(1?D)~~??損傷材料的有效Poisson比：?????2(?~??~)2(???)2、不可逆熱力學(xué)基本控制方程材料的局部熵產(chǎn)生不等式：???????0（4）ijij????單位體積的Helmholtz比自由能???(?,D

5、)?????ij?D?（5）ij???Dij由式（4）和式（5）可得??????（6）???????D??0?ij?ij???D?ij?應(yīng)變彈性本構(gòu)律：????/??（7）ijij定義損傷度本構(gòu)律：Y????/?D（8）因而式（6）變?yōu)椋簾崃W(xué)第二定律YD??0（9）?損傷演化方程D????/?Y(10)3、損傷本構(gòu)關(guān)系的熱力學(xué)推導(dǎo)單位體積的Helmholtz比自由能?(?,D)的Taylor級(jí)ij數(shù)表示為：NNN(n)n(n)n1(n)n?(?ij,D)??0??CD??Bij?ijD??Aijkl?ij?klD（11）n?1n?

6、02n?0N1(n)n上式可簡化為：?(?ij,D)??Aijkl?ij?klD（12）2n?0N???A(n)?Dn（13）ijijklkln?0N1(n)n?1Y???Aijkl?ij?klnD（14）2n?1經(jīng)過對系數(shù)張量的分析，得到式（12）～（14）的級(jí)數(shù)表達(dá)形式：彈性應(yīng)變能NN(n)n12(n)n（15）?(?ij,D)???ij?ij[1???D]??(?kk)[1???D]n?12n?1應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系NN(n)n(n)n（16）?ij?2??ij[1???D]???kk?ij[1???D]n?1n?1損傷應(yīng)變能釋

7、放率NN1(n)n?12(n)n?1（17）Y????nD(?kk)????nD?ij?ij2n?1n?14、分析令式（15）～（17）中的NN(n)n(n)nM?(D)?1???D,M?(D)?1???Dn?1n?1~~并定義拉梅常數(shù)?(D)??M(D),?(D)??M(D)，得到??12~1~2?(?ij,D)??M?(D)?ij?ij??M?(D)(?kk)??(D)?ij?ij??(D)(?kk)（18）22~~??2??M(D)????M(D)?2?(D)???(D)??（19）ijij?kkij?ijkkij''1'2'

8、1~M?(D)2~M?(D)（20）Y???M(D)(?)??M(D)?????(D)(?)??(D)???kk?ijijkkijij22M(D)M(D)??5、損傷效應(yīng)函數(shù)（1）二維隨機(jī)分布微圓孔損傷材料有效彈性模量為：21~0.8