沥青路面黏弹性损伤行为多尺度分析

摘要

沥青路面损伤问题一直是道路领域的重点和难点。由于沥青混合料属于非均匀材料，其内部包含沥青、矿粉、集料和空隙等不同特性的成分，传统基于宏观唯象理论的路面 力学分析方法难以有效地考虑混合料内部各成分之间的相互作用行为，也无法准确地描述沥青路面的损伤特性。为了揭示沥青路面的黏弹性损伤机理，实现对路面开裂行为的准确预测，本研究建立了二维多尺度有限元分析模型，考虑了沥青路面的细观结构和宏观受力特点，对路面结构在不同尺度下的受力状态进行了模拟，并且对路面结构中的水平应力分布和损伤分布进行了系统的研究： (1)借助数字图像处理技术建立了沥青混合料的二维细观尺度有限元模型。为保证模型的准确性，对沥青混合料试件的真实截面图像进行了处理。采用中值滤波处理、分段线性灰度变换、基于标记符的分水岭分割和基于经典的Douglas-Peucker算法的多边形逼近等手段获取了沥青混合料内部粗集料分布特性，并讨论和验证了以上处理手段的有效性。 (2)利用有限元软件ABAQUS在轴对称坐标系下建立了沥青路面宏观尺度和细观尺度有限元模型。在细观尺度下，定义能够表征沥青混合料宏观力学特性的最小体积单元为代表性体积单元(RVE)。在RVE中的沥青砂浆内部和砂浆-集料界面上定义黏结单元，并且由双线型牵引分离定律定义了黏结单元的本构关系。分别通过沥青砂浆动态模量试验和RVE的均匀化计算确定了RVE中沥青砂浆的黏弹性参数和宏观模型中沥青路面的黏弹性参数，并借助沥青混合料的动态模量试验数据对均匀化计算结果进行验证，表明本研究中的RVE能够合理地描述沥青混合料的宏观黏弹性力学特性。利用半圆形弯拉试验确定了RVE中黏结单元的断裂参数，保证了RVE对于模拟沥青路面的开裂行为的准确性。 (3)利用多尺度有限元分析模型分别对半刚性路面结构和柔性路面结构在5℃和35℃下的黏弹性损伤行为进行了模拟，分别研究了沥青路面中的水平应力分布和损伤分布。结果表明：多尺度分析能够表征路面结构中的水平应力和损伤分布特点，揭示了半刚性路面结构自顶向下开裂和柔性路面结构自底向上开裂的机理，并分析了路面结构、温度、切向应力等因素对沥青路面损伤的影响。此外，本研究分析和比较了RVE在遭受不同类型损伤后的承载能力，反映了路面结构不同位置处的的损伤程度。 (4)在多尺度分析中考虑温度场的影响，分析了沥青路面在真实温度分布条件下的损伤行为。采用我国内陆地区某城市24h气温数据对多尺度有限元分析模型进行加载，建立了路面内部的温度场。模拟了两种路面结构（半刚性和柔性）、两种季节（夏季和冬季）和两种时刻（正午和夜间）下路面的温度分布，并在此基础上，对路面中的水平应力和损伤分布进行了模拟和分析。结果表明：本研究中的多尺度有限元分析模型能够有效地考虑温度场对沥青路面黏弹性损伤行为的影响；在高温季节，温度场的存在会显著影响路面中的水平应力分布，并且RVE中的损伤分布也表现出较高的温度依赖性；在低温季节，由于沥青混合料的力学响应接近于弹性，因此温度场对路面中水平应力分布的影响不明显。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.2.1 基于传统力学方法的沥青路面开裂问题研究

1.2.2 基于数字图像处理技术的沥青混合料细观结构分析方法研究

1.2.3 基于多尺度分析的沥青路面力学响应问题研究

1.2.4 基于黏结单元的沥青路面损伤行为研究

1.3 存在的问题

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 室内试验材料性能及试件制备

2.1 材料性能指标

2.1.1 沥青基本性能

2.1.2 集料和矿粉基本性能

2.2 沥青混合料配合比设计

2.2.1 沥青混合料级配

2.2.2 沥青混合料最佳沥青用量确定

2.3 沥青砂浆配合比设计

2.3.1 沥青砂浆级配

2.3.2 沥青砂浆最佳沥青用量确定

2.4 实验室试件制备

2.4.1 动态模量试验试件制备

2.4.2 半圆形弯拉试验试件制备

2.5 本章小结

3 细观尺度有限元模型建立

3.1 沥青混合料截面数字图像采集

3.2 数字图像处理

3.2.1 图像滤波

3.2.2 灰度变换

3.2.3 形态学处理

3.2.4 图像分割

3.2.5 多边形逼近

3.3 有限元模型建立

3.4 本章小结

4 多尺度有限元模型结构信息以及参数确定

4.1 多尺度有限元模型结构信息

4.1.1 宏观尺度模型

4.1.2 细观尺度模型

4.2 多尺度有限元模型参数确定

4.2.1 细观尺度模型黏弹性参数

4.2.2 细观尺度模型断裂参数

4.2.3 细观尺度模型参数汇总

4.2.4 宏观尺度模型黏弹性参数

4.2.5 宏观尺度模型参数汇总

4.3 本章小结

5 沥青路面损伤多尺度分析

5.1 多尺度分析过程

5.2 多尺度分析结果

5.2.1 分析(1)：沥青路面水平应力分布

5.2.2 分析(2)：黏结单元仅发生正向开裂

5.2.3 分析(3)：黏结单元发生正向和切向混合开裂

5.2.4 分析(4)：蠕变加载结果

5.3 本章小结

6 考虑温度场影响的沥青路面损伤多尺度分析

6.1 热力学基本原理和有限元温度场建立

6.1.1 热力学基本原理

6.1.2 多尺度有限元模型热传导分析预定义

6.1.3 热传导分析参数

6.1.4 宏观和细观尺度温度场分布结果

6.2 考虑温度场影响的沥青路面损伤多尺度分析结果

6.2.1 分析(1)：沥青路面水平应力分布

6.2.2 分析(2)：沥青路面损伤分布

6.3 本章小结

结论和展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及参与科研项目情况

致谢

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