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《华南理工大学》 2013年
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基于数字散斑相关方法的沥青混合料疲劳破坏机理研究

苑苗苗  
【摘要】:疲劳破坏是沥青路面的主要破坏形式,也是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。研究表明,路面行车荷载的随机性、环境因素的复杂性,以及沥青混合料细观结构的变异性导致了沥青路面疲劳响应的分散性,从而使得室内疲劳试验结果与实际路面疲劳损伤累积过程存在较大的差异。因此有必要从细观层次上研究沥青混合料的疲劳破坏机理。 本文基于光学测量方法——数字散斑相关方法(DSCM)及Matlab平台自行编程,实时观察并测量了疲劳加载过程中沥青混合料的位移场和应变场,通过DSCM方法将图像信息转化成了能够表征材料力学性能的变形信息,并对变形场的局部化特征进行了分析。然后引入了沥青混合料疲劳损伤阈值的概念,结合四点弯曲疲劳试验,验证了沥青混合料微损伤的愈合效应,计算了沥青混合料的疲劳损伤阈值。基于沥青混合料等应力区损伤累积的随机性,提出沥青混合料存在局部失效强度,并给出了局部失效强度的理论推导过程及破坏概率函数。最后对沥青混合料的疲劳失效判据进行了探讨及验证。提出了基于可变步长的耗散能相对变化率的突变点作为疲劳失效判据,并给出了理论解释。本文综合考虑现有试验条件及设备,主要完成了以下工作: 1)为了获得沥青混合料在循环荷载作用下的变形分布及演化特征,详细探讨了光学测量方法——数字散斑相关方法(DSCM)的基本原理及数值计算方法。 2)基于Matlab平台结合DSCM数值计算方法自行编程,实现了亚像素位移及全场应变的计算,并对其进行了数值模拟验证,然后对实际试验环境中的位移和应变测量精度进行了分析。 3)分别对两种粒径的基质沥青混合料梁试件进行了四点弯曲疲劳试验,通过DSCM测量系统,实时监测了沥青混合料疲劳加载过程中的位移场及应变场,并对其断裂过程区进行了试验观察,得出了沥青混合料在四点弯曲疲劳加载下的变形分布特征。 4)根据失稳断裂前应变场的分布特征及结合数字图像,对沥青混合料断裂过程区的尺寸进行了定义,并对沥青混合料疲劳裂纹扩展路径与集料的相对位置进行分析。在弯拉强度试验中,通过DSCM测量系统,捕捉到了沥青混合料的起裂时刻,发现沥青混合料在峰值荷载之前起裂,并计算了起裂应变。 5)根据断裂统计理论,在分析材料的破坏行为时,必须预先给定一个达到破坏的损伤阈值。因此基于沥青混合料疲劳损伤阈值的基本思想,结合四点弯曲疲劳试验及弯拉强度试验,计算了沥青混合料的疲劳损伤阈值,并对沥青混合料微损伤的愈合效应进行了试验验证。 6)在对未预制切口的试件进行四点弯曲疲劳加载过程中,通过DSCM测量系统发现试件中段等应力区,不同位置存在不同程度的损伤累积,因此推断沥青混合料存在局部失效强度,并给出了局部失效强度的理论推导过程,此理论推导同时考虑了沥青混合料的黏弹性、裂纹尖端应力重分布及荷载的间歇性等因素。这与沥青路面在真实交通荷载作用下的情况相符。 7)采用统计断裂力学中的基本模型——最弱链环模型,对沥青混合料断裂破坏过程进行了的概率分析,推导出了沥青混合料在某一应力作用下的断裂概率函数。 8)鉴于目前国内外对于沥青混合料的疲劳失效判据未达成共识,指出疲劳失效判据的不统一是导致沥青混合料疲劳试验数据分散性大的原因之一,提出了疲劳失效判据应具备的条件。然后通过对不同配合比的混合料进行不同荷载控制模式的四点弯曲疲劳试验,提出了基于可变步长的耗散能相对变化率突变点作为疲劳失效判据,并对其物理意义进行了理论解释。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:U414

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