沥青路面随机疲劳累积损伤机理研究

疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。世界各国设计规范主要依据经验方法决定沥青路面结构的组合与结构层厚度。近二十年来，以美国ASSHTO沥青路面设计指南（2004）为代表，先后发展了一些力学-经验方法进行沥青路面结构设计。但传统小样本疲劳试验和确定性疲劳累积损伤模型难以满足沥青路面的结构设计要求，更无法深入研究沥青路面结构在疲劳载荷作用下的可靠度问题。本课题拟针对沥青混合料及其路面结构特点，研究建立沥青路面随机疲劳累积损伤判定准则，预测随机载荷时间历程下沥青路面疲劳寿命的概率分布，对随机载荷历程作用下的疲劳寿命进行可靠性预测，为路面疲劳设计及可靠度分析提供基础研究支撑。本项目研究不仅具有重要的基础研究意义，同时对于提高我国高等级沥青路面建设技术水平、延长公路设施服务期限，维护公路资产安全等也具有重要的应用价值。

疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。本项目研究以沥青路面疲劳损伤开裂为研究对象，从疲劳开裂的随机性和损伤机理层面进行了多个方面的研究，主要完成了如下的研究工作：1）沥青混合料疲劳试验方法筛选及大样本疲劳试件与试验结果的随机性评价；2）基于数字散斑技术的疲劳裂纹扩展路径的随机性研究；3）基于细观尺度的CT与数值分析方法的疲劳损伤机理研究；4）沥青混合料疲劳失效机理与失效判据的研究；5）基于随机荷载状态下的沥青混合料的累积损伤规律研究；6）基于实验室-现场路面之间多随机性的沥青路面结构疲劳分析方法研究。基于上述研究，获得了如下的主要成果：. 1）通过相同试验条件下的大样本重复性四点弯曲小梁疲劳试验测试与结果的随机性分析，验证了沥青混合料试件内部结构组成的非均匀性和随机性差异与相同条件下沥青混合料疲劳寿命巨大差异间的相关性。. 2）应用数字散斑技术对沥青混凝土疲劳断裂过程区的试验观察及疲劳裂纹扩展规律与起裂应变的分析，发现疲劳开裂多发生于粗集料与沥青砂浆界面过渡区，该区域的强度对沥青混凝土的总体强度和耐久性有重要影响，并验证了疲劳裂缝的发展遵循能量较小原则。. 3）通过对沥青混合料三相细观结构的有限元数值分析与模拟，验证了沥青混合料的疲劳是由众多微裂纹扩展成一条或几条主裂缝到最终开裂破裂的一个过程；单一测试试件加载方向的变化将获得完全不同的开裂路径和疲劳寿命。. 4）采用统计断裂力学中的最弱链环模型，对沥青混凝土断裂破坏过程进行了概率分析，推导了沥青混凝土在某一应力作用下的断裂概率函数，并提出了疲劳失效判据具备的基本条件。. 5）建立了基于可变步长的耗散能相对变化率突变点作为沥青混合料疲劳失效判据，以耗散能相对变化率经过稳定阶段后的突变点，即材料损伤程度急剧增大时作为沥青混合料的疲劳失效判据。. 6）在多级荷载作用下，沥青混合料疲劳性能呈非线性的演变规律；沥青混合料在低-高加载模式的多级荷载下存在“锻炼效应”，而在低-高-低加载模式的多级荷载作用下则会出现“迟滞效应”。. 7）综合726组四点弯曲疲劳有效试验数据，建立了沥青混合料疲劳开裂预估模型，利用国内外实际发生疲劳开裂的试验观测路面结构参数与交通轴载谱数据对模型进行了标定与验证。结合预估模型建立了基于损伤非线性累积的沥青层疲劳破坏评价体系。