基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂缝扩展行为研究.pdf

分类号U416 密级UDC _硕士学位论文基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂缝扩展行为研究学科专业 固体力学 基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂缝扩展行为研究摘要沥青路面凭借其优良的性能在我国高等级路面中得到了广泛使用，但 是在车辆荷载、温度应力以及其他外界因素下路面容易出现早期开裂现象,严重影响了道路使用性能和安全性能，缩短了道路的使用寿命。为探讨沥 青路面裂缝扩展规律以及疲劳寿命，开展的试验研究大多是针对单一级配 的沥青混合料小梁进行三点或四点弯曲试验，分析材料的力学参数，但只 能得到大致表征路面裂缝的扩展趋势及相对疲劳寿命，与真实反映路面裂 缝扩展行为还有一定差距。数值模拟方面，扩展有限元解决了常规有限元 法在模拟裂缝扩展时需要不断网格重构的缺点，其原理是使裂纹面与网格 分离，从而实现了裂纹的自由扩展。目前扩展有限元法用于裂缝扩展方面 的研究已越来越广泛，但是还大多采用均质模型对路面裂缝扩展行为进行 模拟，而实际路面中的沥青混合料是由骨料、空隙以及沥青基质组合而成 的颗粒增强型复合材料，目前学者对于沥青路面细观异质模型下的裂缝扩 展行为研究的还相对较少。本文采用试验和数值模拟方法，围绕建立能更准确地表征路面裂缝扩 展行为的数值模型展开了研究，主要研究内容如下：(1)采用平板支撑方式对沥青复合小梁进行了疲劳试验，探讨其在不 同预设裂缝形式下的裂缝扩展行为及疲劳寿命，并将试验结果与三点弯曲 梁试验结果进行对比，研究支撑方式不同、裂缝形式不同对复合小梁裂缝 扩展行为和疲劳寿命的影响；结果表明不同支撑方式下小梁裂缝总体扩展 趋势保持一致，但是在裂缝起裂方式、裂缝扩展数量以及疲劳寿命方面差 别较大，平板支撑方式下小梁的变形形态更符合实际路面车辆荷载作用下 的变形状况。(2)采用PFC颗粒流软件中的随机骨料生成与投放算法建立了考虑骨 料分布、骨料体积比、骨料级配以及骨料、空隙共存形式下的沥青复合小 梁细观异质模型，并通过导入Aba qus软件实现了扩展有限元在细观异质模 型中的应用，将模拟结果与均质模拟结果、试验结果进行了对比分析，发 现两种数值模型下小梁内部最大主应力分布、位移、裂缝扩展规律差别较 大。复合小梁细观异质模型下高应力区分布于骨料及其周边区域且大致呈 现出以荷载作用位置为圆心的波浪形式往外扩散方式；空隙由于压缩变形 会吸收部分从荷载作用位置传递过来的应力，在一定程度上能够更好地抵 抗裂缝扩展但却会使得小梁竖向变形增加；骨料、空隙的存在对于小梁裂 缝扩展路径具有一定的“吸引”作用，裂缝扩展倾向于沿着骨料、空隙周 边进行。细观异质模型下裂缝扩展行为能够更真实地反映试验中复合小梁 裂缝扩展行为。本文所建立复合小梁细观异质模型对于揭示路面裂缝扩展 机理、预测裂缝扩展路径、以及裂缝扩展行为防治具有一定的工程指导实 践意义。关键词：沥青复合小梁预设裂缝疲劳寿命扩展有限元扩展路径随机骨 料生成与投放细观异质模型IIRESEARCH ON CRACK PROPAGATION BEHAVIOR OFASPHALT COMPOSITE BEAMS MICRO-HETEROGENEOUSMODEL BASED ON EXTENDED FINITE ELEMENTABSTRACTAspha lt pa vement ha s been widely used in high-gra de pa vements in China beca use of its excellent performa nce.However,it is prone to ea rly cra cking due to vehicle loa ds,tempera ture stress,a nd other externa l fa ctors,which seriously a ffects roa d performa nce a nd sa fety performa nce,a nd shortens the roa d.The service life.In order to investiga te the cra ck propa ga tion la w a nd fa tigue life of a spha lt pa vement,most of the experimenta l studies ca rried out were conducted on a three-point or four-point bending test of a single gra ding a spha lt mixture girder.The mecha nica l pa ra meters of the ma teria l were a na lyzed,but only the pa vement cra cks could be roughly identified.The trend of expa nsion a nd rela tive fa tigue life is still somewha t different from the a ctua l reflection of cra ck propa ga tion.For numerica l simula tion,the extended finite element solves the disa dva nta ges of the conventiona l finite element method tha t requires consta nt mesh reconstruction when simula ting cra ck propa ga tion.The principle is to sepa ra te the cra ck surfa ce from the mesh,thereby a chieving a free expa nsion of the cra ck.At present,the resea rch on the a pplica tion of the extended finite element method to cra ck propa ga tion ha s become more a nd more extensive.However,the homogeniza tion model is mostly used to simula te the pa vement cra ck propa ga tion beha vior.The a spha lt mixture in the a ctua l pa vement is composed of a ggrega tes,voids a nd a spha lt ma trix.Combined pa rticle-reinfbrced composite ma teria ls,there a re still rela tively few schola rs studying the cra ck propa ga tion beha vior of the mesoscopic heterogeneity model.In this pa per,experimenta l a nd numerica l simula tion methods a re used to develop a numerica l model tha t ca n more a ccura tely represent the beha vior of inpa vement cra ck propa ga tion.The ma in resea rch contents a re a s follows:(1)Aspha lt composite tra becula r fa tigue test wa s ca rried out by pla te support method to investiga te its cra ck propa ga tion beha vior a nd fa tigue life under different preset cra ck pa tterns.The test results were compa red with the three-point bending bea m test results to study support.The effects of different methods a nd different fra cture modes on the cra ck propa ga tion beha vior a nd fa tigue life of composite tra becules a re shown.The results show tha t the overa ll trend of tra becula r cra cks expa nsion under different support methods rema ins the sa me,but the difference in fra cture initia tion mode,cra ck propa ga tion number,a nd fa tigue life is more significa nt.The deformed sha pe of the tra becula r bea m under the pla te support method is more in line with the deforma tion of the vehicle under the a ctua l roa d surfa ce loa d.(2)Using the ra ndom a ggrega te genera tion a nd pla cement a lgorithm in the PFC pa rticle flow softwa re to esta blish a n a spha lt composite tra becula r meso heterogeneity considering a ggrega te distribution,a ggrega te volume ra tio,a ggrega te gra da tion,a nd a ggrega te a nd void coexistence pa tterns.The model a nd the a pplica tion of the extended finite element in the meso heterogeneity model were implemented through the introduction of Aba qus softwa re.The simula tion results were compa red with the homogeniza tion simula tion results a nd the experimenta l results,a nd the ma ximum principa l stress in the tra becula r bone under the two numerica l models wa s found.Distribution,displa cement,a nd cra ck propa ga tion a re quite different.In the composite tra beculum meso heterogeneity model,the high-stress region is distributed in the a ggrega te a nd its surrounding a rea a nd genera lly presents a wa ve-like ma nner in which the center of the loa d a cts a s a center;the voids a rc tra nsferred from the position of the loa d due to compression deforma tion.The stress ca n resist cra ck propa ga tion to a certa in extent but it will increa se the vertica l deforma tion of the tra becula r bea m.The existence of a ggrega tes a nd voids ha s a certa in“a ttra cting effect on the cra ck propa ga tion pa th of the tra becula,a nd the cra ck propa ga tion tends to IVfollow With a ggrega tes a nd voids a round.The cra ck propa ga tion beha vior in the meso heterogeneity model ca n more truly reflect the cra ck propa ga tion beha vior of the composite tra becula in the experiment.The meso-composite model of composite tra becula r bea ms esta blished in this pa per ha s certa in engineering guida nce pra ctica l significa nce for revea ling the mecha nism of pa vement cra ck propa ga tion,predicting the pa th of cra ck propa ga tion,a nd preventing cra ck propa ga tion beha vior.Keywords：Aspha lt composite bea m,Preset cra ck,Fa tigue life,Extend finite element method(XFEM),Propa ga tion pa th,Ra ndom a ggrega te genera tion a nd delivery,Micro-heterogeneous modelv目录摘 要.IABSTRACT.HI第一章绪论_ 11.1 研究背景.11.2 沥青路面国内外研究现状.21.2.1 沥青路面裂缝扩展行为研究现状.21.2.2 沥青路面疲劳寿命研究现状.31.2.3 基于扩展有限元的沥青路面裂缝扩展研究现状.41.3 主要研究内容与技术路线.5第二章基于断裂力学的扩展有限元方法.82.1 引言.82.2 线弹性断裂力学5旬.82.2.1 裂纹基本类型.82.2.2 应力强度因子断裂准则.92.2.3 复合型裂纹断裂准则.102.3 扩展有限元方法基本理论网.122.4 扩展有限元在Aba qus中的应用.162.5 本章小结.19第三章含预设裂缝沥青复合小梁试验研究-203.1 引言.203.2 试验方案设计.203.3 沥青复合小梁制作.213.4 平板支撑方式下复合小梁疲劳试验.223.4.1 偏裂缝形式下沥青复合小梁疲劳试验.233.4.2 裂缝深度不同形式下复合小梁疲劳试验.263.4.3 多裂缝形式下复合小梁疲劳试验.293.5 三点弯曲梁疲劳试验.333.6 位移加载方式下沥青复合小梁三点弯曲试验.363.7 本章小结.37第四章基于扩展有限元法的沥青复合小梁裂缝扩展模拟研究-394.1 引言.394.2 平板支撑梁均质模型裂缝扩展模拟.39421有限元模型建立.394.2.2 偏裂缝形式下复合小梁裂缝扩展数值模拟.40423多裂缝形式下复合小梁裂缝扩展数值模拟.434.2.4 不同裂缝深度形式下复合小梁裂缝扩展数值模拟.464.3 沥青复合小梁细观异质模型建立.4843.1 随机骨料生成与投放模型建立.494.3.2沥青复合小梁细观异质模型生成.49433细观异质模型导入Aba qus中进行装配与扩展有限元加强.514.4 平板支撑梁细观异质模型裂缝扩展模拟.514.4.1 细骨料模型下裂缝扩展数值模拟.514.4.2 粗骨料模型下裂缝扩展数值模拟.564.4.3 考虑空隙影响下的复合小梁裂缝扩展数值模拟.574.5 三点弯曲梁细观异质模型裂缝扩展数值模拟.594.5.1 不同骨料分布形式下三点弯曲梁裂缝扩展模拟.59452空隙分布下三点弯曲梁裂缝扩展数值模拟.61453三点弯曲梁底部多裂缝形式下裂缝扩展规律探究.644.6 本章小结.69第五章结论及展望-705.1 主要结论.705.2 进一步研究展望.71参考文献-.72致谢.75攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目-76VII广西大苧硕士学位论文W于扩展有限元的沥声复合小梁细现异质模翅裂缝扩展行为研究第一章绪论1.1 研究背景我国高速公路建设至今已历经30多年的发展历程，到2017年底中国高速公路通车 总里程达到12.5万公里，超过美国跃居世界第一。在已通车高速公路当中，半刚性基层 沥青混凝土路面由于其强度高，板体性好，所占比重最大。但是该路面容易在车辆往复 荷载、温度及其他外界因素影响下出现早期开裂现象。开裂如果发生在基层，基层裂缝 会不可避免的反射到沥青路面面层形成反射裂缝。发生在面层时则称为表面裂缝，同样 在各种因素下裂缝会逐渐往下发展并最终造成路面结构性破坏。路面裂缝的出现降低了 路面结构的可靠度并严重影响了行车舒适度及安全性，极大缩短了道路的使用寿命，使 得国民经济遭受巨大损失。因此掌握路面裂缝扩展机理，提出针对裂缝扩展的预测方法,对于有效地控制裂缝的产生和发展，开展沥青路面预防性养护有着重要的意义。国内外学者大致从三个方面对沥青路面裂缝扩展行为做了卓有成效的研究：裂缝的 成因、裂缝的防治措施、裂缝的分析方法，本文主要对路面裂缝的成因以及裂缝的分析 方法进行了研究。导致沥青路面裂缝产生的原因主要有荷载和温度两种因素，本文主要 对荷载因素下的裂缝扩展行为进行了研究。荷载型裂缝主要是在车辆疲劳荷载作用下产 生的裂缝，主要包括张开型和剪切型(I+II型)两种模式。对于疲劳荷载作用下沥青路 面裂缝扩展行为以及沥青混合料疲劳性能研究，大多学者采用三点或四点支撑方式对单 一级配的一层沥青小梁进行试验或数值模拟来间接获取，由于实际路面沥青面层大多由 上中下三种不同级配的面层通过粘层油粘接组合而成且支撑于半刚性基层上，因此三点 或四点弯曲梁试验或数值模拟在全面真实反映路面裂缝扩展行为以及疲劳寿命方面还 存在一定差距，其研究结果只能大致表征路面裂缝扩展趋势以及相对寿命。关于路面裂缝的分析方法方面，基于断裂力学的常规有限元分析已经相当成熟，但 常规有限元法在模拟裂缝的动态扩展方面始终存在不足：在计算过程中需耍不断地进行 网格重划分且模拟极容易出现不收敛。而近些年来发展的扩展有限元方法(XFEM)则可 以很好地解决这个问题。扩展有限元在裂缝扩展方面几乎继承了常规有限元的所有优 点，并且在此基础上实现了裂纹面与网格的分离，在模拟裂纹生长时无需对网格进行重 新划分且可实现裂纹的自由扩展，目前扩展有限元在用于路面裂缝扩展模拟方面研究的 广西大学硕土学位论文 基于扩JR有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂缝扩展行为研究还不够深入。此外在扩展有限元数值模型建立方面，以往研究大多采用均质模型对路面 裂缝扩展行为进行模拟，这与实际路面组成形式差别较大，实际路面当中沥青混合料主 要为由骨料、沥青基质以及空隙等组合而成的颗粒增强型复合材料，骨料、空隙的存在 对于路面裂缝扩展行为以及疲劳寿命影响较大，目前学者在沥青路面细观异质模型裂缝 扩展行为研究方面还相对较少。沥青路面在车辆荷载、温度应力及其他外界因素影响下，主要表现为疲劳破坏形式,路面开裂作为沥青路面主要的病害，严重影响了路面的使用寿命。因此开展不同裂缝形 式下沥青路面裂缝扩展规律及疲劳寿命研究显得尤为必要。本文通过采用平板支撑方式 对沥青复合小梁进行疲劳试验，探讨了不同裂缝形式下沥青复合小梁裂缝扩展行为以及 疲劳寿命，并且采用扩展有限元方法对沥青复合小梁进行了均质和细观异质模型下的裂 缝扩展模拟，并将模拟结果与试验结果进行对比，得出了更符合实际路面裂缝扩展行为 的数值模型，所得结论对用于指导实际路面裂缝扩展预测、裂缝防治以及路面疲劳寿命 预测有较大的工程实际意义。1.2 沥青路面国内外研究现状1.2.1 沥青路面裂缝扩展行为研究现状为探讨沥青路面裂缝扩展规律，国内外众多学者A展开了研究。在研究路面抵抗裂 缝扩展方面：Fha ng提出一种对沥青路面基层和面层连续施工的方法来阻止反射裂缝 扩展；Da wid】对比了高弹与常规沥青混凝土基层低温下裂缝扩展的难易程度；Ha ssene四提出一种用于检测沥青混凝土路面自下而上开裂的自供电表面传感方法；Miguel网对于工业废渣用于填充沥青路面的自顶部向下开裂自修复技术进行了研究；Sireesh网对土工合成材料夹层用于路面沥青加铺层抵抗反射裂缝效果进行了研究；符冠 华口习比较了沥青混凝土不同加铺层材料、夹层材料、不同结构组合对延缓水泥混凝土反 射裂缝扩展的效果。苏心国利用AAPA对旧水泥碎路面沥青加铺层进行疲劳试验，分 析了结构组成类型、集料级配等因素对混合料抵抗反射裂缝扩展的影响。秦禄生等 利用MTS万能试验机进行了不同弹性模量沥青面层抵抗反射裂缝试验，得出高弹沥青 可以明显提高沥青混合料的抵抗反射裂缝能力。杨斌四等采用MTS万能试验机对混凝 土板沥青加铺层进行了疲劳试验，分析了不同沥青加铺层结构和材料抵抗裂缝扩展的能 2广西大学硕士学位论文基于扩展有限元的沥青复合小祟细现异质模翅裂艇扩展行为研究力。在裂缝扩展模拟研究方面：Yin皿对基于随机骨料分布和粘聚裂纹模型的沥青混合 料二维和三维模型断裂过程进行了分析；Zeng。对不同方向切口的半圆形弯曲（SCB）沥青混合料试件的损伤和断裂行为进行了实验和数值研究；Ga oE将试验与离散元模拟 结合起来，研究了骨料分布和预切口位置对沥青混合料小梁三点弯曲断裂的影响；YR22 采用随机骨料投放算法对预设裂纹沥青混合料小梁进行了三点弯曲断裂模拟，通过改变 加载设置中的梁位置来模拟张拉及复合型裂纹扩展，评价了裂纹位置和粗集料分布对裂 纹扩展行为的影响。胡耀强啰通过建立平面应变模型分析层间接触状态变化对沥青加铺 层应力强度因子的影响。葛辉出建立含基层底部裂缝的沥青路面结构模型，从动力学角 度对交通荷载作用下沥青路面结构的应力强度因子KI、K2进行分析。王宏畅冈建立 20结点等参有限元模型，数值模拟沥青路面反射裂缝的扩展，并应用Pa ris公式预估其 疲劳扩展寿命。黄志义的分析了车辆行驶速度、路面结构层温度和阻尼比对循环荷载作 用下含反射裂缝沥青路面结构的动应力强度因子分布规律的影响。苗雨对交通荷载作 用下表面裂纹、反射裂纹同时存在的沥青路面裂缝开裂机制及扩展路径进行了分析。罗 辉271对沥青路面的开裂问题采用无单元伽辽金-有限元耦合方法进行了分析，研究了水 平荷载、结构参数等因素对其开裂的影响。1.2.2 沥青路面疲劳寿命研究现状在我国己建成的高速公路中半刚性基层沥青路面占比四分之三，并且这一比例还有 可能继续增大。沥青路面在车辆荷载、温度应力以及其他外界因素影响下容易出现早期 开裂现象，开裂后路面在车辆荷载、雨水等外界因素影响下会加速破坏，严重影响行车 舒适度、路面安全性并且对国民经济造成极大损失。因此开展含初始裂缝沥青路面疲劳 寿命研究显得尤为必要。由于实际路面疲劳寿命难以研究和预测，学者大多通过研究沥青混合料疲劳性能来 间接预测路面疲劳寿命。Ra a b28为了研究不同种类热拌沥青混合料的老化行为和性能，对未老化材料与长期实验室老化材料的车辙和疲劳行为进行了研究。Ma nna n网考察了 RAP、加载频率和应变水平对沥青混合料和粘结剂疲劳寿命的影响并且确定了沥青混合 料和粘结剂的疲劳寿命之间的关系。LiuM通过对传统的四点弯曲梁加载模式进行改进研 3广西大学硬士学位论文 基于扩展有限元的沥声复合小梁细观异质模也就y展行为研究究了沥青混合料疲劳性能，提出能量控制的加载模式。Sa dek网通过对各种类型的沥青混 合料进行试验，将概率分析应用于由粘弹性连续损伤理论推导出的疲劳寿命预测模型，得出比目前实践许可更加一致和可靠的预测沥青混合料的疲劳性能的新方法。Jia ng网通 过基于实际应力比的半圆弯曲试验研究了沥青混合料的疲劳性能。武建明网对沥青混合 料小梁进行了三点弯曲疲劳试验并将试验结果进行整理拟合得到了 pa irs公式中的相关 参数。龙光网对行车荷载作用下沥青路面表面裂缝扩展行为及疲劳寿命进行了研究。朱 洪洲网对不同类型沥青混合料试件进行了常应变三分点小梁弯曲疲劳试验，分析了温 度、加载频率、级配类型等对沥青混合料疲劳性能的影响规律。从志敏的对重载条件下 沥青路面车辙及疲劳寿命进行了分析。徐东伟13刀对车辆荷载作用下沥青路面加铺层疲劳 寿命进行了预估。杜建欢网为了研究车辆荷载重复作用下铺面材料疲劳性能的变化规 律，对含有层间界面的复合小梁进行四点弯曲疲劳试验。1.2.3 基于扩展有限元的沥青路面裂缝扩展研究现状传统有限元在模拟裂缝扩展时需要在裂尖处设置特定的单元，并且在裂纹扩展过程 中不断对单元网格进行重划分，且裂纹扩展只能沿网格边界进行，不能模拟裂纹的任意 扩展。而扩展有限元在继承传统有限元优点的基础上实现了裂纹面与网格的分离使得裂 纹在扩展过程中无需进行网格重划分，可以允许裂纹穿过网格单元从而很好地模拟不连 续问题，已成为当下模拟裂纹扩展的流行方法。1999年美国的Belyschko和Bla ck提出裂纹扩展应与网格剖分实现独立的思想，在这之后Moes【4。】通过对裂纹面以及裂尖分别引入跳跃函数与裂尖函数进一步从理论上 对该思想进行了完善并由此形成扩展有限单元法。BudynHi】基于扩展有限单元法，考虑 材料的均匀与非均匀性，提出了一种在裂纹增长过程中不需要对网格进行重划分的线弹 性介质中多裂纹扩展的建模方法。Wa ngHR进行了橡胶改性沥青混合料裂缝扩展模拟。王辉明网对交通荷载、结构参数等因素影响下的沥青路面Top-Down裂纹开裂问题进行 扩展有限元分析。张震韬采用扩展有限元方法对沥青路面当中表面裂缝扩展行为进行 了数值模拟。姚莉莉阳采用基于双线性内聚力模型的扩展有限元方法，对沥青混合料劈 裂试验裂纹扩展路径进行了模拟，并与试验结果进行了对比。程一磊对三点弯曲梁细 观异质模型下的裂缝扩展行为进行了扩展有限元模拟，分析了预切口位置对于裂缝扩展 4广西大学须士学位论文 基于扩展次限元的沥弄复合小梁细观异质模型裂缝扩屁行为研究路径以及荷载位移曲线等的影响。杨林47采用三维扩展有限元模型求解了SCB试验下不 同深度裂缝应力强度因子，并与理论值进行对比分析。蔡氧网等运用Aba qus软件建立沥 青路面三维扩展有限元模型，研究了荷载型反射裂缝的扩展规律和土工布的防反特性和 机理。虽然国内外关于沥青路面裂缝扩展行为及疲劳寿命研究已相当成熟，但是还有一些 问题值得深入：(1)采用三点或四点弯曲疲劳试验或数值模拟得出的裂缝扩展行为及疲劳寿命只能 大致表征相应形式下沥青路面裂缝扩展趋势及疲劳寿命，与真实的路面裂缝扩展行为以 及疲劳寿命还有一定差距。虽然目前已有学者通过采用平板支撑方式对小梁进行疲劳试 验来获取相对接近的路面裂缝扩展规律，但试验大多采用的是单一级配的沥青混合料小 梁，而实际路面沥青面层大多由不同级配的上中下三个面层粘接而成，目前对于这种复 合小梁裂缝扩展行为研究的还相对较少。(2)尽管扩展有限元方法(XFEM)在用于模拟裂缝扩展方面有诸多优势，但是其在 用于沥青路面裂缝扩展方面的研究还不够深入，且以往学者大多采用均质模型对路面裂 缝扩展进行数值模拟，而实际沥青路面当中沥青混合料为由粗细骨料和沥青胶浆粘接而 成的各向异性的颗粒增强型复合材料，骨料、空隙的存在对于路面裂缝扩展行为及疲劳 寿命影响很大，目前学者对于细骨异质模型下沥青路面裂缝扩展行为研究还相对较少。1.3 主要研究内容与技术路线本文通过制作接近标准沥青路面面层形式的沥青复合小梁，采用接近沥青路面面层 底部边界固定形式的平板支撑方式，对其开展了不同预设裂缝形式下复合小梁疲劳试 验，并与三点弯曲梁疲劳试验结果进行对比，研究裂缝形式不同、支撑方式不同对于复 合小梁裂缝扩展行为及疲劳寿命的影响；此外采用扩展有限元方法对沥青复合小梁进行 了均质与细观异质模型下的裂缝扩展模拟，并将模拟结果与试验结果进行对比，期望建 立更符合实际路面裂缝扩展行为的数值模型。本文主要研究内容与技术路线包括以下几 个方面：5广西大学硕土学位论文基于扩展无限元的沥*复合小票细现异质模型罩缝扩展行为研究(1)平板支撑方式下沥青复合小梁疲劳试验制作了接近标准沥青面层的沥青复合小梁，对其开展了不同裂缝形式下的复合小梁 疲劳试验，探讨了预设裂缝偏离跨中不同距离、底部裂缝和表面裂缝同时存在、底部多 裂缝形式、裂缝深度不同形式下沥青复合小梁裂缝扩展行为以及疲劳寿命。(2)三点弯曲梁疲劳试验和位移加载试验进行了预设裂缝偏离跨中不同距离的三点弯曲梁疲劳试验，并与平板支撑方式下试 验结果进行了对比，研究支撑方式的不同对于复合小梁裂缝扩展行为及疲劳寿命的影 响；进行了位移加载方式下预设裂缝偏离跨中不同距离时的三点弯曲梁试验，得出复合 小梁承载能力随预设裂缝偏离跨中距离的变化规律。(3)沥青复合小梁细观异质模型建立及扩展有限元加强采用PFC颗粒流动程序中的fish语言编写、开发了一套随机骨料快速生成与投放 程序，应用该程序可以生成考虑骨料体积比、级配和分布等因素的圆形骨料模型；将生 成的圆形骨料通过子程序导入a nsys中处理成正八边形骨料并赋予沥青基质生成沥青复 合小梁细观异质模型，再将生成的模型导入Aba qus中进行装配和扩展有限元加强，实 现扩展有限元方法在沥青复合小梁细观异质模型中的应用。(4)基于扩展有限元法的沥青复合小梁裂缝扩展模拟采用基于Aba qus平台的扩展有限元法对平板支撑方式下沥青复合小梁进行了均质 与细观异质模型下的裂缝扩展数值模拟，并与试验结果进行对比验证，期望建立更符合 实际路面裂缝扩展行为的数值模型；在验证沥青复合小梁细观异质模型能更好地表征实 际路面裂缝扩展行为的基础上，进一步对该模型下不同骨料分布以及骨料、空隙共存时 的裂缝扩展行为进行了研究；此外还进行了不同骨料分布下以及骨料、空隙共存时的三 点弯曲梁裂缝扩展模拟，研究骨料、空隙的加入对于三点弯曲梁裂缝扩展行为的影响。(5)主要研究内容与技术路线流程图本文主要研究内容与技术路线流程图如图1所示：6广西大学硕士学位论文基于扩展有限元的沥*复合小梁细现异质模型裂缝扩展行为研究图1-1研究内容与技术路线流程图Fig.1-1 Research content and technical route flow chart7尸西大学1硕士学位论文基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型睾缝扩展行为研究第二章基于断裂力学的扩展有限元方法2.1 引言沥青路面在疲劳荷载作用下容易出现各种形式的损伤和破坏，其中以疲劳开裂为 主。众多学者49%对路面裂缝扩展问题展开了研究，其中以通过研究裂缝尖端应力强度 因子大小来判定路面裂缝是否开裂的居多。在路面裂缝扩展模拟方面，由于扩展有限元 实现了裂纹面与网格的分离，在模拟裂缝动态扩展时无需对网格进行重划分，近年来运 用该方法对路面裂缝扩展行为进行数值模拟的趋势已越来越广泛。本文即采用基于断裂 力学的扩展有限元方法对含预设裂缝沥青复合小梁裂缝扩展行为进行了有限元模拟。本 章主要对断裂力学的基本理论、断裂准则以及扩展有限元基本原理、表达式进行了介绍。2.2 线弹性断裂力学网断裂力学在早期的发展过程中假定材料为理想的线弹性性质，符合线弹性力学基本 假设、本构关系等。沥青路面在低温时就被认定为符合线弹性断裂力学假设，因此线弹 性力学理论便成为早期断裂力学的基本假定。在之后的发展过程中，Irwin和Orowa n 对线弹性断裂力学进行了进一步的推广，认为当裂纹尺寸及其他尺寸远远大于裂纹尖端 塑性区域几何尺寸时，可以将裂纹尖端区域塑性变形进行忽略，并通过引入塑性功概念,将线弹性断裂力学理论广泛地应用到了工程实际中。沥青路面裂纹扩展的线弹性断裂力 学分析便是在上世纪60年代提出，并因此获得很多有益成果。线弹性断裂力学主要用于裂纹的起裂、扩展过程的亚临界扩展，以及即将达到失稳 破坏的裂纹扩展当中。判断其裂纹扩展有两个角度：一个是能量平衡角度，该角度认为 促使裂纹扩展的能量来源于外力做功与产生新裂纹所需的应变能之差；另一角度基于应 力强度因子考虑，认为当裂缝尖端的应力强度因子达到临界应力强度因子时裂缝发生扩 展。2.2.1 裂纹基本类型沥青路面在受到荷载作用时，按照其变形方式可以分为张拉型、剪切型以及撕开型 三大类型，亦即I型、n型、in型裂纹。8广西大学须士学位论文 基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂处扩区行为研究(a)I型裂纹即张拉形裂纹，荷载作用方向垂直于裂纹面，且裂纹张开垂直于荷载作 用方向。(b)n型裂纹即剪切型裂纹，裂纹在平行裂纹面且垂直于裂纹的剪切荷载作用下相互 错开。)in型裂纹即撕开型裂纹，裂纹在平行于裂纹面和裂纹的相对荷载作用下沿裂纹面 撕开。三种裂纹张开形式中张拉型裂纹最危险，因为其往往表现为脆性破坏，其研究也 最为深入。实际路面在工作过程中，交通荷载易引起I、口型及i+n复合型裂纹，温 度应力易引起I型裂纹，nr型裂纹在路面当中出现的较少。实际路面裂缝扩展往往不是 单一裂缝形式，而是I、n型裂纹或I、in型裂纹同时存在，称为复合型裂纹。本文主 要对荷载作用下的复合型裂纹进行了研究。2.2.2 应力强度因子断裂准则路面的破坏从裂纹开始，而裂纹的静止、扩展都与裂纹尖端的应力场有关。因此研 究裂纹尖端的应力场分布可以定量判断裂纹是否扩展以及扩展方向。建立裂纹尖端附近 应力场以及位移场如图2-2所示：9广西大学硕士学位论文基于扩区有限元的沥*复合小梁细观导质模翘裂缝扩展行为研究图2-2裂纹尖端附近应力场Fig.2-2 The stress field near crack tip张拉型裂纹（I型裂纹）尖端应力场表达式:1-sinsin2 2,.6.38 1+sinsm2 20.36tt smsin II2 2剪切型（II型裂纹）尖端应力场表达式为:yjlTTr.6,八、3 38、sin(2+coscos)2 2 2.e e 362 2 23z 1.0.3。、cos(1-smsin)2 2 2撕开型（in型裂纹）尖端附近应力场为:(2-1)(22)(2-3)式中，&、K”、k1H分别为i型、n型、nr型裂缝尖端应力强度因子。2.2.3 复合型裂纹断裂准则实际路面工作过程当中，裂缝尖端应力场往往表现为i+n型或i+in型、i+n+ni 型组合型受力模式，称为复合型裂纹受力。对于复合型裂纹失稳及扩展方向的判断，目10广西大学顷士挈位论文基于扩序有限元的沥寿 复合小梁细现异我模型裂缝扩双行为研究前可依据的准则有最大周向拉应力准则，应变能密度因子准则以及最大能