大刚度基层上沥青面层破坏准则与结构研究

Asphalt surface course with large-stiffness base is a primary pavement structure for long-life pavement under heavy traffic in China. Asphalt surface course is vital to safety, comfort and service life of the whole pavement structure. This project, based on the characteristics of asphalt surface course with large-stiffness base and survey on real projects, adopts laboratory test and finite-element analysis. A tension-shear combination simulation device for composite specimen is developed. Partial compression dynamic modulus test, composite specimen tension-shear combination simulation test, Hamburg wheel tracking test and asphalt material pavement property test are carried out. Finite-element model of asphalt surface course with large-stiffness base under complex stress state is established, and failure criterion is studied systematically. Three dimensional stress and strain states of asphalt surface course on large-stiffness base under three direction loads are analyzed to study the failure mechanism and criterion under complex stress coupling effect. A thickness design method for asphalt surface course on large-stiffness base is proposed, and optimization of stiffness combination and material development are conducted according to the failure characteristic of asphalt surface course. Research findings are expected to provide theoretical basis for rational design, promotion and application of asphalt surface course with large-stiffness base.

大刚度基层沥青路面是我国重载交通长寿命路面的主要结构形式，沥青面层对行车安全及舒适性，以及整个路面结构的使用寿命起至关重要的作用。项目针对大刚度基层沥青路面的特点，结合实体工程的调研结果，采用室内试验与有限元法，通过研发适用于复合试件的拉剪组合模拟试验设备，开展局部压缩动态模量试验、复合试件拉剪模拟试验和汉堡车辙试验、沥青材料路用性能试验，建立复杂应力状态下大刚度基层沥青路面的有限元仿真模型，系统研究大刚度基层上沥青面层的破坏准则。拟对三向荷载综合作用下大刚度基层上沥青面层的三维应力应变状态进行分析，研究大刚度基层上沥青面层在复杂应力耦合作用下的破坏机理与准则，提出大刚度基层上沥青面层的厚度设计方法，并针对沥青面层的破坏特征进行结构刚度组合优化和材料研发。研究成果可为大刚度基层上沥青面层的合理设计和推广应用提供理论依据。

大刚度基层沥青路面是重载交通长寿命路面结构的发展方向之一，应用广泛。其面层和基层的模量差异大，且沥青面层较薄，应力状态和破坏形式与普通沥青路面结构存在差异，有必要对大刚度基层上沥青面层的破坏准则和结构设计开展研究。.研发了一套刚柔复合试件的压剪室内试验装置及方法，探明了三维应力状态下大刚度基层上沥青面层的压剪破坏形式。研究了四种因素对压剪强度的影响，并建立了考虑温度和沥青层厚度的压剪强度模型。根据耗散能曲线特征将大刚度基层上沥青面层的损伤演化分为微损伤、损伤稳定发展和失稳三个阶段，分析了各个阶段复合式试件的损伤演化；基于Burgers模型和压剪试验结果推导并拟合了压剪疲劳方程。.开发了黏弹-黏塑性损伤力学本构模型的材料子程序UMAT，建立了大刚度基层沥青路面的三维有限元模型。分析了大刚度基层沥青路面力学应力状态：沥青面层内各主应力均以受压为主，剪应力水平较高，沥青面层将产生较大的压缩变形和累积变形。分析了四种工况对沥青面层力学响应状态的影响，结果表明：紧急制动时大刚度基层沥青路面更容易产生压剪破坏，沥青面层厚度增加可有效减小层间应力，横向接缝处沥青面层开裂风险较大。.根据不同沥青层厚度的大刚度基层上沥青面层永久变形结果，修正了美国MEPDG沥青路面永久变形模型的深度系数；基于大刚度基层上沥青面层力学响应和永久变形分析结果，建议大刚度基层上沥青面层厚度宜为10~14cm。开展了废胎胶粉和玄武岩纤维对沥青胶浆性能增强机理试验研究，提出了玄武岩纤维橡胶沥青混合料设计、评价和优化方法，研发了适用于大刚度基层上沥青面层的高性能玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料。.研究成果可为大刚度基层沥青路面的研究和工程设计提供参考，有利于刚柔复合式沥青路面结构的推广与应用。