瀝青混合料粘彈—粘塑性損傷本構(gòu)模型及瀝青路面車轍預(yù)測研究.pdf

1、車轍是瀝青路面在車輛重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的永久累積變形，它的出現(xiàn)將影響行車舒適性，嚴(yán)重時(shí)危及交通安全，不僅給社會(huì)帶來不良影響，而且在經(jīng)濟(jì)上造成巨大損失。瀝青材料具有復(fù)雜的時(shí)間依賴性屬性，通過非線性固體力學(xué)理論對(duì)瀝青路面力學(xué)行為進(jìn)行建模和預(yù)估已成為道路工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以不可逆熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過建立粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)關(guān)系來描述瀝青混合料的與時(shí)間相關(guān)性力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)了基于粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)模型的有限元計(jì)算，為有效地分析和預(yù)

2、測路面車轍提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。本文研究成果可以為我國重載交通瀝青路面的建設(shè)養(yǎng)護(hù)管理提供決策依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本論文開展了如下工作:
　　 (1)基于瀝青路面的力學(xué)行為和瀝青混合料的試驗(yàn)現(xiàn)象，將線性粘彈性和粘塑性損傷二者有機(jī)地結(jié)合起來，建立粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)模型框架，可以從本質(zhì)上反映瀝青混合料的與時(shí)間相關(guān)性力學(xué)行為，為瀝青路面結(jié)構(gòu)的非線性分析提供理論基礎(chǔ)。
　　 (2)以不可逆熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，選取

3、反映系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化發(fā)展的粘塑性累積應(yīng)變和損傷標(biāo)量作為內(nèi)部狀態(tài)變量，建立描述變量演化規(guī)律的Helmholtz自由能函數(shù)和反映能量耗散行為的耗散勢(shì)函數(shù)，推導(dǎo)出粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)方程及內(nèi)變量演化方程，使得本構(gòu)理論更為全面系統(tǒng)并符合自然界的普遍規(guī)律。將建立的本構(gòu)模型用于分析三軸蠕變和三軸等應(yīng)變率壓縮試驗(yàn)，通過參數(shù)敏感性分析研究，為更廣泛的本構(gòu)模型應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。在分析過程中，對(duì)于粘彈性模型，基于粘彈性泊松比將一維的本構(gòu)模型推廣至三維情況，

4、分別推導(dǎo)了粘彈性的三軸蠕變和三軸等應(yīng)變速率壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變理論關(guān)系，以準(zhǔn)確地計(jì)算徑向應(yīng)變，進(jìn)而分析瀝青混合料的體積變形特征。
　　 (3)通過自行設(shè)計(jì)的徑向應(yīng)變測試裝置，巧妙地利用了現(xiàn)有設(shè)備UTM的線性位移傳感器，將瀝青混合料試件周長的變化轉(zhuǎn)換為徑向應(yīng)變數(shù)據(jù)，可同時(shí)測試并記錄試件的軸向和徑向應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀝青混合料徑向變形和體積變化的測試，為本構(gòu)模型參數(shù)標(biāo)定奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 (4)采用荷載水平較低和作用時(shí)間較短的靜

5、態(tài)蠕變-恢復(fù)試驗(yàn)將粘彈-粘塑性應(yīng)變進(jìn)行分離，為與模型原理保持一致，采用粘彈性泊松比，分別標(biāo)定粘彈性和粘塑性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用蠕變至破壞試驗(yàn)標(biāo)定粘塑性損傷參數(shù)。在標(biāo)定粘塑性損傷參數(shù)時(shí)，以三維應(yīng)變的最小平方差為擬合目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)，通過多維非線性約束優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的優(yōu)化估計(jì)，確保體積變形特征描述的準(zhǔn)確性。最后采用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、等應(yīng)變速率加載試驗(yàn)和重復(fù)蠕變-恢復(fù)試驗(yàn)對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 (5)利用增量應(yīng)變條件下計(jì)算

6、嘗試應(yīng)力判斷材料是否進(jìn)入屈服狀態(tài)，基于徑向返回算法的全隱式積分方法計(jì)算子步條件下相應(yīng)的演化變量，推導(dǎo)出粘塑性損傷應(yīng)變?cè)隽亢蛢?nèi)部狀態(tài)變量增量的公式，從而更新增量步的狀態(tài)變量。依據(jù)理論公式編制了能夠在ABAQUS有限元軟件中調(diào)用的粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)模型UMAT子程序，并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。
　　 (6)基于粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)模型和編制的UMAT子程序，采用荷載等效方法，建立了瀝青路面車轍變形預(yù)估方法。為驗(yàn)證車轍預(yù)測方法的有效性，分別進(jìn)

7、行不同溫度、不同荷載、一次變載、逐級(jí)變載等復(fù)雜條件下的室內(nèi)車轍試驗(yàn)，并利用ABAQUS進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比?；谡硰?粘塑性損傷本構(gòu)模型，分析瀝青混合料內(nèi)部狀態(tài)變量的演化情況，從機(jī)理上解釋車轍變形的發(fā)展規(guī)律。
　　 (7)匯總分析了我國主要高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，選取典型結(jié)構(gòu)形式，建立瀝青路面有限元模型，采用基于粘彈-粘塑性損傷本構(gòu)模型的車轍預(yù)估方法對(duì)瀝青路面車轍進(jìn)行了計(jì)算模擬，研究車轍形成發(fā)展規(guī)律，預(yù)測分