沥青路面非线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

沥青路面非线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

孙志林1，卓斌2，廖中平1

【摘 要】摘要：运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台，建立考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型，分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤的空间分布、演化规律以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。研究结果表明：路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近基层与底基层层底的区域，随着荷载作用次数增加，基层层底与底基层层底损伤度均增加，且增加幅度逐渐增大；双轮中心线下靠近基层与底基层层底区域，考虑损伤的路面结构相比无损路面结构，层底水平拉应力均有所减小，且随荷载作用次数增加，水平拉应力逐渐减小，减小的幅度逐渐增大。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断，以及路面设计研究中设计指标的确定。

【期刊名称】中南大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2014(045)002 【总页数】5

【关键词】道路工程；路面结构；损伤力学；疲劳损伤模型；有限元

沥青路面疲劳破坏机理是长期研究的热点，有关学者利用断裂力学、损伤力学、现象学等方法针对沥青路面疲劳破坏进行了大量研究[1?4]。目前，针对沥青路面结构疲劳损伤过程的研究特别是基于损伤力学－有限元全耦合方法对沥青路面结构在交通荷载作用下疲劳损伤过程的相关研究较少[5?6]。为了更准确地分析沥青路面结构疲劳损伤过程，了解沥青路面结构在交通荷载下力学状态变化规律，本文作者将运用损伤力学－有限元全耦合方法，基于ABAQUS[7]计算

平台及相应疲劳损伤用户材料子程序UMAT，分析沥青路面结构在车辆荷载作用下路面结构损伤度及应力状态的演化规律[8?9]，以便为沥青路面结构设计、养护维修等提供依据。

1 疲劳损伤有限元方法

在疲劳损伤力学理论中，一个广泛应用的非线性损伤演化模型即为Chaboche模型，其损伤演化方程为[10]

式中：D为损伤度，在本研究中取0≤D≤0.5；N为荷载作用次数（疲劳寿命）；a*，p和q为材料的疲劳损伤特性参数；σ为拉伸应力。本文采用此模型作为材料疲劳损伤分析模型。

有限元计算模型选择平面应变模型，此时，有限元方法的本构方程为

式中：σx和σz分别为x和z方向的正应力；τxz为剪应力；E为弹性模量；μ为泊松比；D为损伤度；εx和εz分别为x和z方向的正应变；γxz为剪应变。 为了准确地进行损伤力学有限元疲劳损伤累积分析，采用全耦合方法，即每隔一定的应力循环次数对单元刚度矩阵重新计算，以反映疲劳损伤累积效应对单元刚度矩阵的影响。在有限元软件ABAQUS提供的用户子程序接口上，采用FORTRAN77编写用户子程序UMAT，以反映疲劳损伤对单元刚度的影响，即耦合疲劳损伤的材料模型进行相应的编译连接，用于进行疲劳损伤分析。所用计算方法中，用户子程序UMAT中的单元刚度矩阵在每个增量步中都进行调用，每次调用之后按照疲劳损伤演化规律及时更新刚度矩阵中的疲劳损伤度D，因此，该方法属于全耦合解法，解法准确度要高于全解耦和半耦合解法，具有明确的物理意义。

2 结构计算模型

2.1 路面结构

采用我国目前常用的半刚性路面结构形式。路面结构各组成部分的材料如下：面层材料为沥青混凝土，基层材料为水泥稳定碎石，底基层材料为二灰土。各层材料的参数见表1。

有限元计算模型为平面应变模型，其长×宽为10 m×10 m。假定模型两侧与底部完全约束，路表为自由面，没有约束。靠近约束边界的位置各种力学响应很小，可忽略不计，故假定模型两侧与底部完全约束合理。 2.2 材料疲劳损伤参数

张行在有关拉伸疲劳试验中，针对Chaboche提出的模型，得出： 式中：KT为应力集中系数，在本文中取1；Ncr为裂缝形成疲劳寿命。 依据相关疲劳方程和试验数据[11?12]，可以得到p和c的值，并取q=0，由式（3）可计算出a*。整理计算结果如表2所示。 2.3 荷载条件

本文中，选取车辆荷载宽度W=156 mm，双轮中心距B=312 mm。选取荷载集度P=0.16 MPa，计算可得施加荷载为标准轴载，以保证各层结构的应力水平和路表弯沉在通常范围内，不影响路面结构力学响应的规律性分析。

3 损伤场分析

3.1 损伤度分布云图

图1所示为上述路面结构在车辆荷载作用600万次后，损伤度在路面结构中的分布云图。从图1可以看出面层没有损伤，基层与底基层均发生疲劳损伤，在双轮下靠近层底的位置损伤最严重。 3.2 损伤度空间分布规律