基于分形理论的沥青路面剪切疲劳及破坏机理研究

沥青路面材料是由集料、填充料和胶结料按照一定比例构成的不规则空间体系，由于沥青路面剪切性能不足而引起的路面破坏现象越来越普遍，目前相关研究仍存在薄弱之处。项目以目前我国沥青路面失稳车辙、路表开裂、推移等破坏形式为研究对象，采用分形理论、室内实验及数字图像分析技术，了解沥青路面剪切破坏的结构影响因素，揭示不同路面结构的剪切破坏影响效应；阐明沥青路面剪切破坏的材料影响机制，开发、提出沥青混合料剪切性能室内评价方法与指标，并通过剪切试验提出沥青混合料剪切本构关系模型和剪切疲劳模型；在此基础上揭示沥青路面剪切破坏的规律及机理，并对现有沥青路面的设计理论、设计方法提出合理建议。这对完善现行沥青路面设计方法、保证沥青路面的行车安全和舒适性、提高路面使用寿命、减少建设和养护成本具有重要的理论意义和工程实用价值。

项目结合目前我国沥青路面失稳车辙、路表开裂、推移等破坏的形式及特点，开展复杂荷载条件下沥青路面剪切疲劳及破坏机理的研究。在对国内外文献进行详细调研的基础上，从复杂交通条件的含义和特征、沥青路面现场破坏调查与分析、沥青路面剪应力响应与荷载型裂缝剪切破坏有限元分析、沥青混合料动态剪切蠕变试验及其分形研究、小梁试件与半圆柱体试件疲劳试验、沥青混合料SST剪切试验及剪切疲劳试验、沥青混合料蠕变剪切试验CT扫描与图像处理研究、沥青混合料旋转剪切试验设备及方法开发等方面开展了大量的研究工作。通过研究与分析，得出了交通量大和汽车普遍超载是复杂交通的主要特征；重载条件下沥青路面破坏主要集中在轮迹带及其附近位置，破坏形式包括车辙变形、纵向裂缝、横向裂缝及龟裂等；造成轮迹带附近荷载型裂缝的主要原因是剪应力而不是拉应力；得到了沥青混合料剪切性能与分形维数的关系，可根据分形维数来预测沥青混合料的剪切性能；通过四种应力水平的SST剪切疲劳试验，得到了沥青混合料的剪切疲劳方程；通过CT无损扫描的CT图像，选用孔隙率和CT数两个指标，对比分析了沥青混合料剪切疲劳破坏前后的变化特征及沥青混合料剪切破坏的细观机理；同时运用分形几何理论，对试件内部初始损伤及裂纹扩展的分布特征进行了分形描述，并计算了损伤扩展分维数；开发了使沥青混合料处于纯剪切简单应力状态的圆柱截面扭转剪切试验方法，可进行沥青混合料的抗剪强度和剪切疲劳试验。上述成果对掌握沥青路面剪切疲劳破坏的形式与机理，控制沥青路面的剪切疲劳破坏，完善和发展现行沥青路面设计方法、保证沥青路面的行车安全和舒适性、提高路面使用寿命、减少建设和养护成本等具有重要的理论意义和工程实用价值。