基于拉剪耦合的沥青混合料粘聚开裂机理研究

环境和荷载作用使沥青路面出现各种形式裂纹，虽然裂纹成因各异，但裂纹出现后，在温度及荷载作用下裂纹面传荷载表表现为拉（压）剪耦合形式。裂纹面的粘聚拉力及粘聚剪力为裂纹面张开位移及剪切位移函数。沥青混合料粘弹性使裂纹面的粘聚拉力和粘聚剪力为温度及加载速率的函数，所以研究开裂沥青混合料的传荷载特征比较复杂，但具有重要理论和工程应用意义。本项目在室内试验装置改进的基础上，拟对沥青胶浆、界面和沥混合料不同温度和不同加载速率下进行拉剪试验研究，确定出典型粘聚拉力和粘聚剪力的空间分布。通过对试验数据的整理分析确定出开裂沥青合料粘聚本构模型，为采用扩展有限元对沥青混合料进行分析提供参数依据。构造裂尖渐近函数以反应出沥青胶浆、界面及沥青混合料裂尖应力特征，同时引入粘聚本构模型对开裂沥青混合料试件进行分析，并进行室内试验验证。本项目研究可提示开裂沥青路面在温度场和荷载场下的机理，为沥青路面修复提供依据。

沥青混凝土为道路的主要筑路材料，沥青混凝土作为一种多相复合材料，其物理力学性能具有温度和加载速率的强依赖性。开裂为沥青混凝土路面的最主要的破坏，对实际沥青路面进行结构分析时，需要考虑沥青混凝土路面开裂界面的传递荷载能力，而实际沥青路面开裂界面会受到由温度及车辆荷载引起Ⅰ型拉伸、Ⅱ型平面剪切和Ⅲ型平面外剪切三种单独或复合作用模式。为此需要对沥青路面中裂纹界面传递荷载力学行为进行试验研究，然后采用数值模拟分析方法对沥青混凝土及沥青路面进行研究。为此本项目进行了如下三个方面的研究工作。. 首先，通过典型的沥青混凝土（AC10）进行了级配设计，确定出最佳油石比，得到了常规的路用性能。在已有万能试验机上进行了二次开发，实现了能够拉伸和剪切的试验装置。对由轮碾仪成型的车辙板、大马歇尔仪成型的圆柱形试件进行切割后形成普通梁式试件和半圆形试件，通过设置预切割缝，进行了三点弯梁试验、直接拉伸、直接剪切试验和劈裂试验，得到了界面开裂的断裂能、拉伸应力与拉伸位移和剪切应力与剪切位移关系全曲线，通过对试验数据处理，确定出双折线型和非线性粘聚力本构模型。通过蠕变仪的试验，基于时温等效原理，标定出非开裂沥青混凝土的粘弹性本构参数。同时采用该试验装置确定出沥青混凝土与水泥稳定碎石的界面的剪切应力与剪切位移粘聚力关系全曲线。. 其次，在ABAQUS有限元平台上，二次开发出粘聚力剪切本构模型的界面单元。在已有扩展有限元基础上，通过用户子程序二次开发出能够实现温度和应变率影响的拉伸和剪切粘聚力本构模型。同时对基于粘聚力本构模型的扩展有限元和界面单元的计算收敛性和单元网格的划分方法进行了研究，给出了计算方法的选择及单元网格的划分尺寸。. 最后，基于室内试验建立的粘聚力本构模型，采用扩展有限元和界面单元，对沥青混凝土试件、沥青混凝土路面结构进行了多工况下的裂纹扩展模拟分析，更为客观揭示出沥青路面中裂纹的起裂和扩展过程，为沥青路面的修复及材料选择提供了依据。