层状沥青混凝土路面中力-水-热多场耦合效应及裂纹扩展演变

Investigation on the mechanism of failure of asphalt concrete pavement is the precondition and foundation of preventing and treating the deterioration of high speed road. Stress-water-thermal coupling effect due to the climate change is a significant factor resulting in the premature failure of road. To construct the asphalt concrete pavement which is more practical and perfect, a coupling theory should be proposed to precisely describe the mechanism of crack growth and development. Based on the stress-water-thermal coupling model of road pavement, the crack growth and development in layered asphalt concrete pavement under different loadings will be systematically studied in this project. The main contents are as follows: 1) Construct an infinite stress-water-thermal coupling model of asphalt concrete pavement; 2) Analyze the crack growth speed with the crack length, and the average damage effect parameter with the number of cycles under different coupling effects, filled fluids, and thermal loads by using the phenomenological damage theory; 3) Develop the computer software simulating the crack growth by modifying the Drucker-Prager-Cap theory in ABAQUS and introducing the temperature field; 4) Experimental investigation by using two wheeled vehicle and two-layered asphalt concrete structure. The main objective of this project is to find the techniques of inhibiting the crack propagation,and provide the reliable technical support for controling the deterioration of road pavements.

沥青混凝土路面结构破坏机理研究是预防和治理高速公路病理的前提和基础。高温-多雨-重载引起的力-水-热耦合作用是导致裂缝扩展和路面破坏的重要客观因素。为提高路面的使用品质，必须采用耦合理论来精确描述内部裂纹的扩展机理及演变过程。本项目以传热学、多孔介质流体动力学理论为基础，建立沥青路面体系的应力-水力-热多物理耦合场模型，系统研究层状沥青混凝土路面在各种载荷下裂纹扩展演变的机理。主要内容有：建立无限大沥青混凝土路面水-力--热耦合模型，应用唯象损伤理论，分析耦合效应、充水介质和热传导共同作用下各种裂纹扩展速度与裂纹长度的关系，平均损伤效应参数与载荷循环次数的关系等。修正ABAQUS中Drucker-Prager-Cap理论，引入温度场，开发模拟裂纹扩展演化的计算机软件。采用两轮车载系统和两层沥青混凝土结构进行试验研究。通过研究，找到抑制裂纹扩展的方法，为路面破坏控制提供可靠的技术支撑。

实际工程中，沥青混凝土内影响裂纹扩展的因素主要有：载荷、雨水、温度等，其中流体压力场、温度场及应力场耦合效应是影响沥青混凝土结构的重要因素之一。考虑到沥青混凝土的多物理场耦合控制方程和非线性几何方程的复杂性，本项目引入Biot多孔充水动力学模型，结合混凝土路面的受力实际情况，对沥青混凝土结构自身的特点和混凝土结构在土木工程施工中的服役行为等进行了研究。主要工作如下：.基于Biot理论，研究了受移动矩形荷载作用下的饱和弹性介质的动力响应，分析了渗透系数和荷载移动速度对垂直位移和超孔隙水压力的影响。结果表明，荷载以低于结构剪切波速的恒定速度移动时，饱和弹性半空间模型的垂直位移在一定范围内随着渗透系数的增大而增大，超孔隙水压力随着渗透系数的增大而减小。对移动矩形荷载作用下的层状饱和混凝土路面体系进行研究，研究发现，在一定的速度范围内层状饱和混凝土路面模型的垂直位移随着荷载移动速度的增大而减小，超孔隙水压力随着荷载移动速度的增大而增大。.借助ABAQUS软件建立带初始裂纹路面的弯曲梁模型，采用扩展有限元的方法对粘弹性沥青混凝土路面结构中裂缝问题进行静态和动态的分析，施加不同速度的移动荷载，同时添加环境温度场。分析不同的沥青材料组成、不同的环境温度、不同的荷载速率对裂纹的尖端周围应力及裂纹扩展路径等的影响，裂纹的类型主要包括不同深度和不同条数的反射裂纹、斜裂纹及表面裂纹等。.隧道与围岩之间存在着许多细观裂缝和杂质等破坏两者接触面的微结构。针对这些微结构，我们提出了时间相关粘弹性-滑移界面模型，结合Biot的动力学理论和粘弹性界面模型，研究了各种形状的混凝土隧道结构在外荷载作用下的动态响应，预测了饱和多孔介质中隧道周围的动应力和压力分布。通过引入刚度系数和粘性系数来考虑界面的粘弹性；分析了界面特性对隧道在外载荷作用下的动态响应的影响。