并联轴复杂荷载历史下沥青混合料黏弹塑性本构关系

Currently the haversine and sinusoidal loadings are typically used in the performance tests of asphalt concrete (AC) to simulate the loading history induced by a single-axle. The loadings induced by multiple-axles interfere with each other and cause complex loading histories. Variously assumptions are made regarding the damage generated by multiple-axles, and these assumptions have not been fully verified. This greatly influences the correctness of analysis results. In this research, triaxial viscoelastic damage and viscoplastic deformation tests will be conducted on AC under various complex loading histories. A viscoelastic damage evolution function will be developed to accurately characterize the rate dependency of damage evolution. Also, a hardening evolution function will be developed considering both the hardening accumulation and hardening recovery. Subsequently a viscoelastoplastic constitutive relationship will be developed to characterize the deterioration mechanisms of AC subjected to complex loading histories. A performance model for pavement structure will be established based on the constitutive relationship. The pavement model can analyze the mechanisms and development of fatigue cracking and permanent deformation of asphalt layers under various mixed traffic and temperature conditions. The model will be used to determine the axle coefficients of multiple-axles for pavement analysis methods based on equivalent axle load conversion, and thus the damage caused by multiple-axles can be accurately analyzed.

目前沥青混合料性能试验中普遍采用半正弦或正弦波荷载，以模拟单轴引起的荷载历史。但并联轴中各轴的效应会相互干涉，形成复杂的荷载历史。目前在复杂荷载历史破坏作用的分析中，采用不同的假设，且这些假设均缺乏有效的验证，这极大影响了分析结果的准确性。本课题对沥青混合料进行多种复杂荷载历史下的三轴黏弹破坏及黏塑性变形试验，针对复杂荷载历史的特点，构建黏弹破坏演化方程，以客观描述材料破坏演化的率相关性；构建硬化演化方程，以全面考虑黏塑性变形中的硬化累积与硬化恢复，进而建立能反映沥青混合料在复杂荷载历史下性能衰变本质机理的三轴黏弹塑性本构关系。将该本构关系应用于有限元方法中，建立沥青路面性能衰变模型，以科学分析不同混合轴组及温度场条件下，沥青层疲劳开裂和永久变形的产生机理与发展过程。利用该路面性能模型，针对目前基于当量轴载换算的分析方法，提出并联轴的轴组系数，以科学地分析并联轴的破坏作用。

沥青混合料的黏弹性行为表征及路用性能和寿命分析已经成为路面工程的一个重要研究方向，路面材料的力学参数及本构关系则是路用性能和寿命分析的基础，尤其是复杂荷载历史下的沥青混合料黏弹本构关系。本课题对沥青混合料进行多种复杂荷载历史下的三轴黏弹破坏及变形试验，针对复杂荷载历史的特点，构建了能同时考虑温度和围压等复杂荷载下的三轴黏弹模型，以客观描述沥青混合料在实际工作状态下的行为特性；将该本构关系应用于有限元方法中，以分析不同行车荷载和温度场条件下，沥青路面结构的关键力学响应及不同控制指标下的使用寿命；通过采集实际工程路段在不同服役时间的相关数据，分析路面结构在不同服役时间内的寿命和性能衰减规律。主要研究结果为：将不同复杂荷载历史下的存储模量试验结果绘制成等压主曲线，得到了与缩减频率相关的三轴存储模量主曲线模型；改进的模型为沥青混合料的三轴黏弹模量模型，提供了全面描述沥青混合料黏弹特性的一致性方法，解决了传统方法中存在的与理论基础相冲突的问题，并为分析沥青混合料在频域内的行为特性提供了有效途径；路面结构服役期间结构层模量衰减程度和基层类型有关，路面结构五年服役后，刚性基层沥青路面结构模量衰减程度较低，柔性基层路面结构模量衰减程度较大；服役5 年后路面结构的关键力学响应均有增长，尤其是柔性基层路面结构中沥青混合料层层底水平拉应变增加比例可达100%以上。基于复杂荷载历史下的路面结构力学响应分析方法，能够对路面结构在服役期间的模量衰减以及路面力学响应的变化进行科学的分析，为路面结构病害产生机理及性能衰变规律的分析提供了有效途径。