冻融受荷协同作用下沥青混合料损伤模型研究

为研究寒区沥青路面抗冻融性能,借助细观损伤力学与宏观统计随机损伤理论,提出冻融变量、荷载变量及协同效应等概念,构建了冻融与荷载共同作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程,揭示冻融循环次数、应变及油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理.研究表明:寒区沥青混合料力学性能受冻融变量、荷载变量及协同效应影响显著,在冻融受荷协同作用下总损伤劣化呈非线性加剧趋势,沿冻融和受荷两条途径的损伤率演化规律迥异.冻融循环次数和油石比对损伤变量影响较大,但冻融次数超过20时,损伤变量和损伤率降幅均显著且趋于恒定.适当上浮最佳油石比,可有效改善寒区沥青混合料的抗冻融耐久性能.     

冻融循环条件下受荷岩石的损伤本构模型

基于岩石细观结构的非均匀性,建立了冻融受荷岩石损伤扩展本构关系,通过冻融损伤、受荷损伤与总损伤3个损伤因子描述岩石材料各层次的劣化程度及损伤演化途径。通过与岩石冻融循环力学特性试验结果对比,证明所建立的模型能够很好地反映不同冻融循环次数下岩石应力应变的变化关系。     

冻融循环作用下煤矸石混凝土的损伤特性及本构关系

考虑煤矸石粗骨料取代率（0、20%、40%、60%）的影响,开展冻融循环试验、单轴受压本构试验及声发射检测试验,研究煤矸石混凝土的损伤本构模型。研究结果表明：不同取代率的煤矸石混凝土的相对峰值应变与冻融损伤值具有较高的相关性,所得冻融损伤值与相对峰值应变的方程可为本构模型的建立提供有效参数。煤矸石混凝土声发射特性与其荷载损伤发展情况、力学性能、应力–应变曲线有紧密联系,基于受压声发射特性,采用PBS平行杆力学模型建立了未冻融循环作用下煤矸石混凝土的荷载损伤模型,并结合其冻融损伤模型,建立了煤矸石混凝土冻融损伤本构关系,计算结果与试验数据符合较好。该模型能较准确地反映混凝土在冻融和单轴受压荷载作用下的全过程损伤特征。     

多孔沥青混合料路用性能研究

多孔沥青混合料与密级配沥青混合料在组成和结构上存在区别,因此在水稳定性、抗冻、高温、疲劳特性等方面存在差异。基于汉堡浸水车辙、冻融循环、疲劳等室内试验对多孔沥青混合料PAC-13的路用性能进行系统研究。结果表明,采用了高黏度改性沥青和骨架结构的多孔沥青混合料在水、热和荷载耦合作用下的路用性能良好;其低温性能较密级配沥青混合料弱;在浸水状态下经历冻融循环后,混合料的马歇尔稳定度、劈裂强度和飞散损失等指标未出现显著衰减,抗冻性能良好;混合料的抗疲劳性能随着空隙率的增大而降低,同时应力水平变化对疲劳寿命的影响总体上也变得更敏感。     

硫酸盐与冻融环境下混凝土本构关系研究

为了研究硫酸盐与冻融环境下混凝土单轴受压应力—应变关系,对水中和质量分数为5%硫酸钠、5%硫酸镁溶液中冻融作用下的混凝土进行单轴受压试验,分析了硫酸盐溶液与冻融循环对混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量及单轴受压应力—应变全曲线的影响,并对损伤层混凝土的力学性能进行分析。结果表明：混凝土应力—应变曲线随冻融时间增加逐渐趋扁平,整体右移,硫酸盐溶液中冻融300次后的混凝土应力—应变曲线上升段轻微上扬,并出现下凹现象。随着冻融次数增加,混凝土峰值应力、弹性模量不断下降,峰值应变逐渐增加,硫酸镁溶液中混凝土表现更明显,混凝土抗冻性最差。通过回归分析,建立了硫酸盐与冻融循环作用下混凝土单轴受压应力—应变全曲线方程,并得到了不同冻融次数下损伤层混凝土峰值应力的确定方法。     

冻融损伤混凝土重复受压本构关系

为研究冻融损伤对混凝土重复受压力学性能的影响,完成了两种强度等级混凝土试块的快速冻融及重复受压试验.结果表明,冻融损伤混凝土重复受压力学性能显著降低,动力本构特征曲线也发生改变,包络线及再加载曲线在峰值应力之前因存在明显压实效应而表现出下凹形态,卸载曲线应变滞后现象严重且曲线逐渐趋于重合.在试验研究基础上,探讨了冻融循环次数、混凝土强度等级与冻融后混凝土力学性能参数及本构模型参数之间的关系,建立了冻融损伤混凝土动力本构模型.     

玄武岩纤维沥青混合料的冻融损伤演化规律

为研究寒区玄武岩纤维改性沥青路面的抗冻融性能,本文借助可靠度和损伤理论,建立了玄武岩纤维沥青混合料冻融损伤演化的三维模型,并讨论了参数的实际意义。根据冻融循环下的混合料劈裂强度和劲度模量试验结果,建立各自的损伤演化模型,采用增强因子k来评价掺加玄武岩纤维对沥青混合料抗冻融性能的增强效果。结果表明:掺加玄武岩纤维后,沥青混合料的劈裂强度和劲度模量对冻融损伤的抵抗能力均有所提高;玄武岩纤维沥青混合料受到均匀的冻融损伤;劈裂强度受冻融循环的影响更为显著,可用于预估冻融损伤残余寿命。     

冻融环境下沙漠砂对混凝土轴心受压力学性能的影响

为研究沙漠砂对混凝土抗冻性能的影响,采用快速冻融方法,进行掺沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验,得到不同冻融循环作用下掺沙漠砂混凝土破坏特征和应力-应变曲线,分析不同冻融循环下掺沙漠砂混凝土表面损伤特征、质量损失率、动弹性模量损失率和超声波波速损失率的变化规律.结果表明:随着冻融循环次数增加,掺沙漠砂混凝土质量损失率变化较小,动弹性模量损失率、超声波波速损失率、相对峰值应变和极限应变均增大,相对峰值应力和横向变形系数均减小,弹性模量先增大后减小;在相同冻融循环次数下,掺沙漠砂混凝土弹性模量损失率、超声波波速损失率和相对峰值应变均小于普通混凝土,相对峰值应力、横向变形系数和弹性模量比普通混凝土高.采用过镇海提出的单轴受压本构模型拟合得到应力-应变全曲线方程,分析冻融循环对应力-应变曲线控制参数的影响,可对沙漠砂混凝土结构的抗冻性能进行分析.     

改性多孔沥青混合料水稳定性与损伤规律

为了提高季冻区多孔沥青路面的使用质量、减轻路面冻融损伤,采用玻璃纤维、硅藻土与沥青路面旧料以改善多孔沥青混合料性能。分析不同材料掺量的多孔沥青混合料在冻融循环下的抗压强度、空隙率及应变变化,并考虑不同材料与不同材料掺量对多孔沥青混合料水稳定性的影响;基于损伤力学理论以抗压强度为指标表示强度率,研究改性多孔沥青混合料的冻融损伤演化规律;基于CT无损检测与数字图像处理技术,分析玻璃纤维多孔沥青混合料冻融前后空隙数量与空隙面积的变化规律。结果表明：混合料抗压强度随冻融循环次数的增加而降低,而空隙率与应变呈上升趋势;具有玻璃纤维掺量0.7%、沥青路面旧料掺量15%、硅藻土掺量25%和掺量15%沥青路面旧料及20%硅藻土的4种多孔沥青混合料水稳定性能最好,其中玻璃纤维的改性效果最佳;掺入玻璃纤维、15%掺量硅藻土与15%掺量沥青路面旧料能减轻多孔沥青混合料的冻融损伤,但硅藻土再生多孔沥青混合料损伤程度均较大,损伤前期强度较高,更适用于短时冻土区;与硅藻土再生多孔沥青混合料相比,玻璃纤维多孔沥青混合料、再生多孔沥青混合料与硅藻土多孔沥青混合料经历了长时间的快速损伤期、短时间的损伤稳定期与损伤发展期;玻璃纤维掺量较低的试样空隙数量增加,平均单个空隙面积减小,而掺量较高的试样表现相反。     

岩石冻融力学实验及损伤扩展特性

通过红砂岩和页岩两种岩石饱水后的冻融力学实验,系统研究了岩性及冻融循环等对岩石损伤力学特性的影响;充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用宏观唯象损伤力学和非平衡统计的概念和方法,得到了冻融受荷岩石的损伤演化方程;应用推广后的应变等价原理,对不同冻融次数下受荷岩石应力与应变的变化规律,得到统一的损伤扩展本构关系;探讨了岩石...     

红黏土损伤特性及损伤演化规律试验

基于原状红黏土三轴不排水试验,得出桂林红黏土应力－应变关系,分析了原状红黏土结构损伤特性,确定损伤变量Ｄ,并对红黏土的损伤演化规律进行分析,验证其损伤本构关系。研究结果表明：桂林原状红黏土的应力－应变关系曲线表现出理想塑性的特点;不同围区条件下,轴向应变１.３６％处可视作红黏土应变的门槛阈值,对应的应力作为应力门槛阈值;初始弹性模量和割线模量有关的变量Ｄ可作为损伤变量;损伤变量随主应力差的增大而增大,基本呈线性关系,损伤变量与轴向应变基本呈指数函数关系,表明红黏土损伤过程是不可逆的特点;本文提出的损伤本构方程能够较好地拟合红黏土的应力－应变曲线关系,反映不同围压条件下的红黏土结构性损伤变化规律。     

冻融循环条件下沥青混合料的耐久性及其GM(1,N)预测

通过沥青混合料空隙率及冻融前后混合料劈裂抗拉强度变化进行冻融循环条件下沥青混合料的耐久性能研究,并采用灰色系统理论中GM(1,N)模型对冻融循环条件下沥青混合料的耐久性能进行预测。试验结果表明:沥青混合料耐久性因素中的空隙率和劈裂抗拉强度与冻融次数之间有良好的相关性,在冻融循环条件下,空隙率随着冻融次数的增加而明显增加,劈裂抗拉强度随着冻融次数增加显著减小。建立的GM(1,N)灰色预测模型能够较好地预测冻融循环条件下沥青混合料的空隙率和劈裂抗拉强度,且计算结果与试验数据吻合较好,表明在冻融循环条件下沥青混合料耐久性研究中引入灰色系统理论是可行的;通过GM(1,N)多因素预测,可以大量减轻试验工作量以及降低试验成本。     

沥青混合料在冻融循环作用下的弯拉特性

通过沥青混合料在冻融循环作用下的弯曲试验,分析了冻融循环次数、油石比、级配组成对混合料弯拉特性的影响。试验结果表明:随着冻融循环次数的增多,沥青混合料的弯拉强度、弯拉应变、劲度模量均呈减小趋势。油石比、级配组成对弯拉特性有明显影响,随着油石比的增大,冻融循环作用对沥青混合料弯拉特性的影响减小,AC-13混合料的弯拉特性优于其他两种级配。在青藏高原寒冷地区采用AC-13的沥青混合料、油石比为5.5%或适当增加油石比可以提高沥青混合料在冻融循环作用下的低温弯曲特性。     

冻融受荷岩石唯象损伤扩展特性探讨

针对工程地质和岩土工程中所涉及到的冻害问题,从细观力学机理出发,将冻融循环次数及应变和岩石的损伤变量联系起来,得到宏细观相结合的冻融受荷岩石损伤演化方程及损伤扩展本构关系;对冻融荷载作用后的岩石进行唯象损伤扩展特性分析.研究发现:岩石的冻融损伤是一个疲劳损伤破坏过程,在寒区岩体工程设计和施工中,必须考虑冻融损伤的影响;寒区工程结构受荷岩石的岩性、初始损伤状态及力学性质的不同,造成冻融循环和荷载对损伤扩展的影响差别非常大,并表现出终态的宏观差异.     

冻融对CACB材料粘弹性力学行为的影响

为了研究冻融循环作用下水泥沥青复合胶结料的粘弹性力学行为,本文进行了CACB材料的冻融及蠕变试验。建立了四元件五参数的粘弹性力学模型,通过对蠕变试验结果的拟合分析,建立了CACB材料的本构方程。基于本构方程参数随冻融次数的变化,分析了冻融对CACB材料粘弹性力学行为的影响规律。研究表明:冻融作用降低了CACB材料抵抗瞬时弹性变形及剪切流动变形的能力,CACB材料的弹性性能受冻融作用的影响更为显著。粘弹性本构方程材料参数的变化可以反映CACB材料宏观力学性能的冻融损伤过程。冻融循环作用没有改变CACB材料的粘弹性属性,随着沥青含量的增加及温度的提高,CACB材料趋向于粘性材料的性质,抵抗载荷的能力降低、变形能力增强。     

冻融作用对混凝土跨海大桥桥墩稳定性影响研究

北方海域海水冻融作用对混凝土跨海大桥的安全稳定性具有重要的影响,针对该问题,通过室内冻融试验研究得出了青岛海湾大桥桥墩混凝土在冻融循环作用下的极限抗压强度及其峰值应变、极限抗拉强度、弹性模量等力学性能指标随不同冻融循环次数的衰退规律,并推导出混凝土冻融损伤本构方程.根据室内外试验的对比关系,得出了桥墩混凝土结构各力学性能指标随结构服役时间的退化规律及不同服役期内混凝土的冻融损伤本构方程.建立了青岛海湾大桥沧口段航道桥过渡墩基础的3维有限元模型,应用非线性理论对过渡墩基础进行了数值分析,得出了不同服役期内该混凝土过渡墩基础的最大应力与最大竖向位移的产生位置及其随时间的变化趋势,并分析了其安全性规律,得出了若干结论,可为工程前期设计及后期维修加固提供一定的参考依据.     

冻融作用下炭质页岩微结构损伤特性研究

通过核磁共振(NMR)试验分析冻融循环作用下炭质页岩的T2谱分布、孔隙度、T2谱面积的变化,利用超声波检测分析冻融循环作用下炭质页岩纵波波速的变化,引入损伤变量探讨炭质页岩冻融损伤与循环次数的关系,建立了炭质页岩冻融损伤演化方程。结果表明,随冻融次数的增多,炭质页岩T2谱分布、T2谱面积及孔隙度均逐渐增大,纵波波速在不断衰减;当冻融循环次数达400次时,炭质页岩微结构损伤度达到最大值。     

基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型

为了准确地模拟混凝土材料的力学性能,从有效应力的角度出发,基于连续损伤力学基本原理,根据混凝土的应力-应变关系曲线(以改进的Saenz曲线为例),推导出混凝土受压损伤演化方程,建立基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型,并且开发进入ABAQUS中;通过数值模拟与试验结果对比分析,结果表明该本构模型可很好地描述混凝土的塑性变形、刚度退化的力学行为;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验进行模拟,结果表明该模型可较好地模拟地震作用下钢筋混凝土桥墩的损伤演化过程,因此该方法建立的混凝土弹塑性损伤本构模型具有工程应用意义.     

多孔沥青混合料粘弹塑性损伤模型

为合理描述多孔沥青混合料在中低温度外界荷载作用下的力学特性,基于增量型本构方程,采用Weibull损伤函数、广义Maxwell粘弹模型与D-P塑性模型,构建了粘弹塑性损伤模型．以此模型为分析手段,对不同温度和加载速率下的单轴压缩应力-应变曲线进行拟合,并分析温度与加载速率对模型参数的影响规律．分析结果表明:多孔沥青混合料粘弹参数随着温度的降低逐步退化成弹性参数,塑性模型中的体积模量和剪切模量也随温度呈现出明显的粘弹特性,塑性应变产生时对应的应变值与损伤应变阙值基本保持一致,温度及加载速率对于混合料的损伤扩展也有显著影响．构建的理论模型可以有效表征多孔沥青混合料在常温和低温下受荷时的力学损伤特性．     

基于可靠度的冻融循环下沥青路面性能

在冻融循环试验的基础上,通过考虑影响因素的不确定性,对冻融作用下沥青路面结构的可靠性开展研究。采用冻融循环试验模拟了青藏高寒地区冻融作用对沥青混合性能的影响,建立了考虑冻融作用的路面结构强度可靠度方程,利用蒙特卡洛模拟方法对可靠度方程进行求解。研究得出:沥青混合料的抗压回弹模量在冻融作用下呈衰减趋势,初始冻融作用下混合料性能衰减较快,经历8~10次冻融循环后性能衰减趋于平缓;路面结构承载能力(可靠度)随冻融作用次数的增加呈衰减趋势,冻融作用对路面结构的可靠度有显著影响;路面结构可靠度随冻融循环变异系数的增加呈降低趋势。本文提出的考虑冻融作用的沥青路面可靠度分析方法可以较好地反映寒冷地区冻融作用对路面性能的影响。