基于局部应变的沥青路面疲劳开裂行为研究

沥青路面疲劳性能研究目前大多采用线性累积损伤的名义应力法，未充分考虑路面结构中应力集中部位的受力特性、塑性变形的损伤作用及循环荷载作用下沥青混合料性能的变化。本项目拟采用自行设计的试验夹具，进行沥青混合料应变疲劳试验，提出表征其疲劳性能的循环应力－应变曲线与应变－寿命方程；利用修正Neuber公式、当量应变能密度等方法，提出沥青混合料局部应变的计算方法；建立弹塑性有限元模型，数值模拟荷载与温度反复作用下沥青路面局部应变的响应历程；结合回归拟合提出的沥青面层荷载与温度名义应变计算公式、沥青混合料应变疲劳特性与相关的疲劳累积损伤模型，提出沥青路面在荷载与温度作用下基于局部应变的疲劳开裂寿命预估方法。. 研究成果将充分考虑应力集中、沥青混合料材料特性、路面结构层厚度与组合、层间接触状况等因素对沥青路面疲劳性能的影响，从而为结构设计阶段控制沥青路面疲劳开裂，完善其设计方法提供理论依据。

沥青路面疲劳开裂是一种常见破坏形式，裂缝的出现不但破坏路面结构的整体性，更为严重的是水从裂缝进入路面结构内部进而进入路基导致结构引起水损坏，大大缩短路面结构的使用寿命。沥青路面疲劳性能研究目前大多采用线性累积损伤的名义应力法，未充分考虑路面结构中应力集中部位的受力特性、塑性变形的损伤作用及循环荷载作用下沥青混合料性能的变化。本项目提出了基于局部应变的疲劳寿命预估方法，主要取得如下成果：.①采用自行设计的避免偏心受拉的试验夹具，进行沥青混凝土AC-20和高模量沥青混凝土HMAC-20两种沥青混合料直接拉伸应变疲劳试验，建立了混合料的单调拉伸曲线方程，提出单调应变硬化系数和强度系数。应用多级多试件法建立了沥青混合料的循环应力－应变曲线方程，提出了循环应变硬化系数和强度系数，并确定沥青混合料具有循环硬化和循环松弛特性，建立了沥青混合料的应变－寿命疲劳方程，分析平均应力的影响，提出了其开裂的拉应变阀值和极限值。②基于弹性理论，建立无缺陷沥青路面结构三维有限元模型进行数值计算，分析了温度、轴载、面层厚度和模量、基层厚度和模量、防裂层厚度和模量等因素对刚性基层接缝处沥青路面荷载应变和温度应变的影响规律，基于均匀设计法，回归得出沥青层荷载应变和温度应变的实用计算公式。③根据弹性理论保守系统的最小余能原理，推导出任意应力状态下名义应力（应变）与局部应力（应变）之间的关系，并推广应用到有缺口和循环加载方式的结构，提出了Kf－Neuber公式法和当量应变能密度（ESED）法计算沥青路面局部应变的方法。④采用弹塑性有限元方法，建立二维弹塑性本构模型，分析各因素对刚性基层接缝处沥青混凝土路面应变的影响规律，并计算了接缝处沥青路面结构荷载应变以及温度应变，运用麦夸特法+通用全局优化法拟合出沥青面层底面荷载应变和温度应变的实用计算公式，同时确定路面作用有效轴载。⑤结合沥青面层在荷载和温度作用下的名义应变计算结果，以及沥青混合料的循环应力－应变曲线，采用Neuber公式法、ESED法等近似工程法及弹塑性有限元法两种方法求解沥青面层应力集中部位的局部应变。将大于拉应变阀值的局部应变视为有效应变，结合沥青混合料应变－寿命曲线方程，提出沥青路面疲劳开裂寿命预估方法。并通过同一个路面结构的典型算例，分析对比了基于近似计算法和基于弹塑性有限元计算两种方法在预估沥青路面疲劳寿命中的应用。