论文总字数：26817字

摘 要

以往的沥青路面应力应变分析大多依靠宏观试验，由于沥青路面材料的特殊性质，宏观试验不仅需要消耗大量财力物力，而且很难得到准确结果。现有设计规范把沥青路面看作连续均匀的材料，在宏观角度下提供了相应设计准则，但实际沥青路面为多相复合材料，将其理想化势必会影响计算结果。故从微细观尺度研究沥青路面的应力响应及断裂现象、研究其微细观损伤失效概率具有深远意义。

本文用有限元软件ABAQUS建立了沥青路面在车轮荷载作用下的二维宏观和细观模型，多尺度分析并比较不同尺度下的应力响应，对宏观和细观尺度下沥青路面断裂进行了理论分析，最后提出了微细观损伤的失效概率研究方法。

研究表明，宏观模型中，基层和土基交界处为最大拉应力和最大拉应变的产生位置，剪应力以车轮连线中心为对称轴对称分布，面层和基层的剪应力较大，易遭车轮荷载破坏。沥青路面在含贯穿裂缝作用下，面层最大拉应力显著增加，裂缝加大，偏载作用下的扩展裂缝也是如此。

细观模型中，受应力集中现象影响，应力应变的最大值均产生在集料和联结料交界位置，比宏观尺度对应值要大，且不再呈对称分布。联结料与集料界面是开裂的起点，不会从骨料中穿过。模型中大骨料会影响裂纹的扩展，大骨料在扩展路线上时，裂纹会将其绕过然后按之前的路径继续扩展。

本文提出了微细观损伤的判据准则，用直接参数及其门限值来表示广义结构裕度，以概率方法对微细观损伤进行评定，计算界面损伤失效概率。

由以上研究，证明了细观尺度的应力响应及断裂现象与宏观尺度存在较大差异，对沥青路面应力响应有了更清晰的认识，同时对微细观损伤的失效概率进行了初步探索。

关键词：沥青路面；微细观损伤；应力分析；多尺度模型；失效概率

Abstract

In the past, the stress-strain analysis of asphalt pavement mostly depends on the macro test. Because of the special properties of asphalt pavement materials, the macro test not only needs a lot of financial and material resources, but also hard to get accurate results. The existing design code regards the asphalt pavement as a continuous and uniform material, and provides the corresponding design criteria in a macro perspective. However, the actual asphalt pavement is a multiphase composite material, and its idealization will inevitably affect the calculation results. Therefore, it is of great significance to study the stress response and fracture phenomenon of asphalt pavement and the failure probability of micro damage.

In this paper, the finite element software ABAQUS is used to build a two-dimensional macro and micro model of asphalt pavement under wheel load. The multi-scale analysis and comparison of stress response under different scales are carried out. The theoretical analysis of asphalt pavement fracture under macro and micro scales is carried out. Finally, the failure probability research method of micro damage is proposed.

The results show that, in the macro model, the junction of the base and the soil foundation is the place where the maximum tensile stress and the maximum tensile strain are produced. The shear stress is symmetrically distributed in the center of the wheel connecting line. The shear stress of the surface layer and the base is large and easy to be damaged by the wheel load. Under the action of through cracks, the maximum tensile stress of asphalt pavement increases significantly, and the cracks increase, so does the expansion cracks under the action of partial load.

In the meso model, under the influence of stress concentration, the maximum of stress and strain are produced at the interface of aggregate and binder, which is larger than the corresponding value of macro scale, and no longer symmetrical distribution. The interface between binder and aggregate is the starting point of cracking and will not pass through the aggregate. In the model, the large aggregate will affect the crack propagation. When the large aggregate is in the propagation path, the crack will bypass it and continue to expand according to the previous path.

In this paper, the criterion of micro damage is proposed. The generalized structural margin is expressed by direct parameters and their thresholds. The micro damage is evaluated by probability method and the failure probability of interface damage is calculated.

Based on the above research, it is proved that the micro scale stress response and fracture phenomenon are quite different from the macro scale, and the stress response of asphalt pavement has a clearer understanding. At the same time, the failure probability of micro scale damage is preliminarily studied.

Key Words： asphalt pavement; micro damage; numerical simulation; stress analysis; multi-scale model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文所做主要工作 3

第2章 基本分析方法与原理 4

2.1 有限元基础 4

2.2 有限元软件ABAQUS简介 5

2.3 断裂力学理论 6

2.3.1 应力强度因子K及其断裂准则 6

2.3.2 能量释放率G及其断裂准则 8

2.3.3 J积分及其断裂准则 8

2.4 本章小结 9

第3章 宏观尺度模型及其应力状态分析 10

3.1 二维宏观有限元模型简介 10

3.2 宏观模型应力应变响应分析 11

3.2.1 宏观模型应力响应 11

3.2.2 宏观模型应变响应 13

3.3 宏观断裂分析 14

3.4 本章小结 14

第4章 细观尺度模型及其应力状态分析 16

4.1 多尺度分析方法 16

4.2 沥青路面二维局部细观模型 18

4.2.1 宏观—细观模型的关联与传递 18

4.2.2 细观模型简介 19

4.3 细观模型应力应变响应分析 20

4.3.1 细观模型应力响应 20

4.3.2 细观模型应变响应 22

4.4 细观断裂分析 23

4.5 本章小结 24

第5章 微细观损伤失效概率分析 25

5.1 界面损伤直接参数 25

5.2 界面损伤评定准则 26

5.3 本章小结 30

第6章 总结与展望 31

6.1 总结 31

6.2 展望 31

参考文献 32

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

沥青路面有着行车平稳、安全性高、胎噪低、易保养等优点，在我国高速公路及城镇道路中有着覆盖式的应用。2020年初，我国高速公路覆盖面达14余万公里，居世界榜首。然而，沥青路面在实际使用过程中因受到环境和车辆荷载的多重影响，会产生多种病害，例如沉陷、车辙、裂缝等，减小沥青路面的寿命，其中裂缝是主要破坏方式。裂缝可降低行车舒适度，降低裂缝周围局部区域的承载能力。裂缝在雨雪等天气作用下会加剧其扩展，影响沥青路面的整体结构，继而降低沥青路面整体强度，大幅减少沥青路面的寿命。这种现象会对车辆的安全行驶产生不良影响，威胁行车安全。同时，沥青路面的整修将会产生十分昂贵的费用。

目前现有《公路沥青路面设计规范》^[1]是从宏观的角度出发，即假设路面结构连续、均匀，提供了相关设计参数。但实际沥青路面是非连续、非均匀的，从宏观角度进行研究会降低计算结果的准确度，影响沥青路面的安全评估计算。同时，对于沥青路面开裂行为，目前大多局限在宏观尺度下进行试验研究。由于沥青路面材料的特殊性质，宏观试验不但费时费力，而且最终难以得出准确的结果。因此，为了更好地评估沥青路面的安全性，必须从沥青路面的微细观角度出发，建立微裂纹模型，研究沥青微裂纹给沥青路面带来的影响，以及路面层间界面性能衰退对沥青路面力学响应的影响，继而研究沥青路面微细观损伤的失效概率，为我国沥青路面的安全使用提供更进一步的研判。

1.2 国内外的研究现状

请支付后下载全文，论文总字数：26817字