湖南省自科基金申请书之二(修改稿)

项目类别 申报学科代码 项目编号 A E0801

湖南省自然科学基金

申 请 书

( 表 二 )

项目名称： 沥青混合料荷载及温度疲劳破坏

问题的损伤力学研究

湖南省自然科学基金委员会

二 O O 一 年制

注意：湖南省自然科学基金申请书（表二）所填写全部内容不能出现申请者及项目组成员的姓名和工作单位，否则，将视为形式审查不合格。

一、立论依据

（包括项目的研究意义、国内外研究现状分析，并附主要参考文献及出处，可加附页） 对基础研究，着重结合学科发展趋势，论述项目的科学意义； 对应用基础研究，着重结合学科前沿、围绕国民经济和社会发展中的重要科技问题，论述其应用前景。 1、 项目的研究意义 交通运输是国民经济的支柱产业，公路运输在现代整个交通运输体系中占据着主导地位。公路建设，尤其是高等级公路的建设，为目前国家基础建设投资的重点，成为拉动整个国民经济快速增长的强劲动力。由于沥青路面具有优越的路面使用性能，从而在高等级公路建设中占据主导地位。如目前美国的沥青路面所占比重为94%，俄罗斯为87%，波兰甚至100%[1]。然而沥青路面在行车荷载与温度变化等环境因素综合作用下的疲劳开裂与反射裂缝 问题，是沥青路面的主要破坏形式，是目前道路工程尚待解决的重大问题。以往这方面的研究，大多处于试验加统计平均的经验水平，要依赖于进行大量的室内模拟试验与道路足尺试验，因而一项研究往往要耗费大量的时间、人力与费用。目前尚未有一套较完善的理论体系，能对沥青路面疲劳过程中的力学行为进行定量分析与描述。从而也就无法对沥青路面结构的疲劳寿命以及路表弯沉的演变规律进行理论预测，只能依靠经验公式进行预测。如美国沥青协会设计方法（AI法）中采用的疲劳方程[2]，英国的Pell等人提出的疲劳方程[3]等均为经验公式。我国现行的沥青路面设计规范[4]，前苏联法，以及美国各公路和运输工作者协会法（AASHTO法）[5]、壳牌法（hell法）[6]等一些沥青路面设计方法，主要以路表回弹弯沉值、面层底部弯拉应力（应变），与其他一些指标作为沥青路面的主要设计指标。由于理论上存在的困难，目前国内的沥青路面设计规范，还无法直接以疲劳寿命作为设计指标。 本研究课题的重要意义在于，首次比较系统的采用损伤力学的理论与方法研究沥青路面的的破坏问题。针对实际的路面结构建立一套损伤力学模型，用于路面在疲劳破坏与反射裂缝问题中力学行为的动态模拟分析与计算。本课题的研究可望使现行的沥青路面设计方法在理论上更趋完善，并填补国内外这方面的研究空白。可望将沥青路面的疲劳分析从经验水平提升到固体力学的水平，降低疲劳分析对于实验的依赖程度，节省大量的人力与物力，并由此产生巨大的社会与经济效益。 2、 国内外的研究概况 2、1.沥青路面研究方面 目前，国内外对于沥青路面的疲劳分析，基本上还处于经验水平。对于沥青路面的疲劳寿命估算，大多数仍沿用Miner的疲劳积累损伤准则[7]。即应用疲劳破坏等效的原则，将各种轴重的交通荷载，全部等效为一定作用次数的标准轴在，然后建立累计当量标准轴次与路面厚度之间的对应关系，进而提出沥青路面的设计方法[8][9]。这种传统的疲劳分析方法存在的主要问题表现在以下几个方面： ① 通过大量的标准时间的实验结果得出的经验公式，往往无法直接应用于实际的路面结构。即使经多项统计修正以后，相对于千差万别的实际情况，往往难以达到令人满意的结果。

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② 无法考虑实际的轴载谱，即不同的轴载作用次序的变化对路面疲劳寿命的影响。Franchen[10]与Hopman[11]等人曾对Miner的疲劳积累损伤准则用于沥青混合料的有效性进行了研究。研究表明，不同轴重的作用次序对沥青混合料和沥青路面的疲劳寿命有着显著的影响。 ③ 沥青路面的破坏过程实际上是行车荷载与温度变化等因素综合作用下的动态渐进过程，传统的疲劳分析方法无法对这一渐进损坏过程中的力学行为进行定量的描述与分析。 由于路面实际轴载谱变化的随机性，温度等环境因素的作用，以及路面破坏实际过程的复杂性，人们一直未能找到合适的理论体系对其进行较为准确地描述。至今为止，尚未见有人突破传统的疲劳破坏等效原则，直接采用真实的轴载谱进行路面损坏渐进动态过程的模拟与分析。 至于对路面结构中疲劳裂纹扩展阶段的研究，则校对的采用断裂力学的方法，如文献[12]等。所采用的数学模型主要是由应力强度因子或守恒积分所控制的各种类型的裂纹扩展速率公式[13][14]。由于近几十年来断裂力学取得较大的发展，已形成不少较为成熟的分析方法。所以相对而言，目前裂纹扩展阶段的分析水平较裂纹形成阶段，无论在合理性上还是在准确性方面，前者较后者都有着显著的可取之处。然而在现行的疲劳分析框架内，无论是在力学建模方面，还是在实验数据的采集方面，尽管裂纹形成阶段与裂纹扩展阶段同属于一个连续的过程，但它们却是被当作两个彼此独立的过程来分别加以处理的[15]。 沥青路面的反射裂缝是沥青路面的主要破坏形式之一。新建公路，若基层有裂缝或缺陷，会很快反射到路表；同样，在原有破损路面上加铺一层沥青罩面层，原有路面的缺陷也会很快穿透沥青罩面层反射至路表，这就是所谓的“反射裂缝”问题。对反射裂缝问题，自七十年代开始国内外进行了大量的研究，但一直未能得到很好地解决，成为困扰道路工作者的一大难题。由行车荷载引起的反射裂缝称为“荷载型反射裂缝”，由温度变化引起的反射裂缝称为“温度型反射裂缝”[16]。荷载型反射裂缝主要是由面层底部在缺陷处出现较大的弯拉应力而引起疲劳开裂。温度型反射裂缝有两种，一种是在冬季持续大幅降温时，有低温收缩引起的低温缩裂反射裂缝；另一种是由于昼夜温差大，在沥青面层内产生温度应力，经日复一日的循环作用而使面层产生疲劳开裂，称为温度疲劳反射裂缝。而实际路面上的反射裂缝，是行车荷载与温度变化等因素综合作用的结果。经国内外的大量研究[17][18][19]，已形成如下共识：（1）温度应力引起了反射裂缝的产生并参与了最初的发展；（2）荷载应力加速了裂缝的发展；（3）反射裂缝的产生还是原有破损路面（或基层）上裂缝（或缺陷）处的应力集中直接作用的结果对反射裂缝的理论分析普遍采用断裂力学的方法，或有限元方法。对反射裂缝的防治，主要采用在原有破坏路面与沥青面层之间加铺一层应力吸收薄膜层，或加设土工格栅以阻裂[20-26]。 在六十年代初，Monisnith首先采用Burgers粘弹性模型来表征沥青混合料的热流变特性[27]，为后来的大多数研究所普遍采用，并由此形成了近二、三十年来的研究热点之一[28]。国外围绕应用粘弹性理论分析沥青混合料的疲劳特性方面做了大量的研究工作[29-36]，并开始[37-40]将粘弹性层状体系理论应用于柔性路面的结构分析。国内围绕这方面也进行了不少研[41-48][49]究，并发表了不少研究文献。文献曾采用Burgers模型并通过引入指数性损伤函数模拟了沥青混合料试件的疲劳过程，文献[50]则用粘弹性理论有限元方法分析了温缩型反射裂缝问题。用粘弹性理论分析沥青混合料的疲劳特性，国内外主要采用粘弹性材料耗散能密度的概念来加以研究。大量研究证实，沥青混合料的疲劳寿命Nf与累积耗散能密度W之间有着良好的幂函数关系，W=a(Nf)b,此即以耗散能密度表示的沥青混合料的疲劳方程。且不论是应力控制还是应变控制的疲劳过程，其累积耗散能密度与疲劳寿命间有唯一的对应关系。然而

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上述结论基本上是通过试件在连续变化的简谐荷载作用下的疲劳试验归纳出的经验公式，而路面实际承受的是间歇荷载，且由于实际路面结构的复杂多样，这一公式很难实际应用。另一方面，由于对疲劳过程中应力、应变场的演变无法定量描述，即使对于标准试件也根本无法对累积耗散能密度进行理论计算。因而在建立以累积耗散能密度为指标的沥青路面设计方法与疲劳寿命预测方面，至今尚未能突破传统疲劳分析方法的缺陷。 2．2损伤力学研究方面 损伤力学或连续介质损伤力学(Continuun Damage Mechanics---CDM)主要研究材料内部微观缺陷的产生与发展所引起的宏观力学行为及最终导致材料破坏的过程和规律。损伤力学是近三、四十年来发展起来的一门新兴学科，，是固体力学的一个分支。 1958年，Kachamov[51]在研究金属蠕变破坏时，首次提出了“连续性因子”和“有效应力”的概念。Rabotnov[52]于1963年又进一步引入了“损伤因子”的概念。他们为损伤力学的发展做了开创性的工作。但此后的一、二十年间，这些概念与方法主要局限于研究蠕变断裂问题。直到七十年代后期开始，除了Kachanov与Rabotnov的工作以外，法国的Lemaitre[53]与Chaboche[54]、美国的Kremple[55]与Krajcinovic[56]、日本的Murakami（村上澄男）、瑞典的Hult[58]、英国的Hayhurst与Leckie[59]等人采用连续介质力学方法，把损伤因子进一步推广为一种场变量，逐渐形成了“连续介质损伤力学”这门新学科。国际上已多次召开关于损伤力学的学术会议，理学、材料科学与工程等方面的一些著名杂志已发表了大量的损伤力学研究文献。1986年，Kachanov 出版了第一本有关损伤力学的专著[60]。1992年，Lemaitre出版了有关损伤力学的教程[61]。美国应力学评论杂志从1988年开始，正式将CDM列入主题目录。 国内方面从八十年代初期开始，也积极开展了有关损伤力学的研究工作，并逐步将损伤力学应用于金属、复合材料、混凝土等工程领域，发表了大量的研究文献。目前，国内业已出版了一批关于损伤力学的教程和著作[62-69]。金属材料的损伤特点与金属构件的疲劳失效问题，进行了比较系统的损伤力学研究，取得了一批研究成果[70-78] 。但截至目前为止，尚无人用损伤力学的理论和方法研究沥青路面开裂问题。 3、参考文献 [1]Rust F.C.,Mahoney J.P.,Sorenson J.b.,An international view of pavement engineering,Proc.5thInt.Conf.on the Bearing Capacity of Road and Airfields,Trondheim,Norway,1998。 [2]Asphalt institute,Thickness Design Manual(MS—1),9th edition,Maryland:Asphalt institute,1981. [3]Cooper K.E.,Pell P.S.,The effect of mix variables on the fatigue strength of bituminous materials, TRRL Report,1947;LR633. [4]中华人民共和国交通部，公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）,人民交通出版社，1997。10。 [5]AASHTO，AASHTO Guide for design of Pavement Structures,Washington D.C.,AASHTO,1986. [6]Shell International Petroleum Company limited,Shell Pavement Design Manual,London:Shell,1978. [7]Miner M.A.,Cumulative damage in fatigue,J. of Applied Mechanics,September,1955. [8]方福森，路面工程（第二版），人民交通出版社，1996。 [9]姚祖康，公路设计手册--路面，人民交通出版社，1993。6。

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二、研究方案 1． 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 建立沥青路面疲劳破坏过程的损伤力学模型与分析方法，并利用试验结果对模型进行检验，为沥青路面结果设计方法奠定科学的理论基础。为此，就以下几个方面进行主要研究：  沥青混合料损伤本构关系的研究。  沥青混合料试件疲劳失效过程的损伤力学研究。  沥青路面荷载疲劳开裂和温度疲劳开裂问题的损伤力学研究。  沥青混合料的疲劳破坏和温度疲劳室内模拟试验研究。 拟解决的关键问题： 沥青混合料损伤本构关系的理论研究和沥青混合料疲劳失效过程的损伤方程研究，关于新建高等级沥青路面疲劳开裂问题与疲劳寿命预测的损伤力学研究。 2．本项目的创新之处 本研究课题的创新之处体现在以下几个方面：  首次比较系统的采用损伤力学的理论和方法研究沥青路面的疲劳开裂问题。将以往的研究从经验水平提升到固体力学的水平，从而使疲劳分析对实验的依赖程度大大降低。  从不可逆热力学与连续介质力学基本理论出发，结合沥青混合料的损伤特征，对沥青混合料的损伤本构模型进行了理论探讨，并应用于实际的沥青路面结构破坏分析之中。  针对实际路面结构，建立起弹性层状体系的损伤力学理论模型。可在理论上对路面结构疲劳破坏这一动态过程中的力学行为进行定量分析与描述，并可在理论上直接对实际路面结构的疲劳寿命与路表弯沉值进行理论预测。可望为沥青路面结构设计分析方法奠定更科学的理论基础。  在沥青路面结构的疲劳损伤分析过程中，综合考虑了行车荷载与温度变化两种因素的影响，而在以往的疲劳问题损伤力学应用研究中，较少考虑温度因素的影响。

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3．拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（可加附页） 1) 沥青混合料损伤本构关系的理论研究 这是本研究课题的核心部分,并为下面各专题的应用研究打下理论基础.拟在本课题的研究中采用独立的损伤势这一概念，来推导沥青混合料的损伤演化方程。拟将沥青混合料作为一种各向同性的线性粘弹性损伤材料，从热力学与连续介质力学的基本理论出发，结合沥青混合料的损伤特点，来建立沥青混合料的损伤本构模型，并用于实际路面结构疲劳开裂问题的分析之中。 2) 关于沥青混合料试件疲劳失效过程的损伤力学研究 以沥青混合料梁试件为研究对象，对其疲劳失效过程进行损伤力学研究。以不同的温度和荷载及频率条件下，利用MTS，对图1的情况，分别以控制应力情况进行疲劳试验，测定其试件疲劳失效过程的损伤。建立沥青混合料的损伤失效模式，以损伤力学的方法对其疲劳裂纹的扩展过程进行模拟计算，并对其疲劳过程中的位移变化规律进行模拟计算。从而将疲劳过程中裂缝形成与扩展阶段统一纳入损伤力学理论框架内进行分析。 图１ 沥青混合料梁荷载疲劳试件 3) 关于沥青混合料试件温度疲劳失效过程的损伤力学研究 以沥青混合料试件为研究对象，对其温度疲劳失效过程进行损伤力学研究。以不同的温度变化及频率条件下，利用MTS，对图2的情况，分别以控制应变情况进行疲劳试验，测定其试件疲劳失效过程的损伤。建立沥青混合料的温度损伤失效模式，以损伤力学的方法对其疲劳过程中的应力变化规律进行模拟计算。 4) 关于新建高等级沥青路面疲劳开裂问题与疲劳寿命预测的损伤力学研究  基本假定 （１） 沥青混合料作为各向同性的线性热弹性损伤材料； （２） 同时考虑行车荷载与温度变化两种因素对路面结构疲劳损伤的影响； （３） 行车荷载为圆形均布荷载； （４） 结构层内的温度场沿高度方向发生变化，在同一高度上温度均匀分布； （５） 路面结构长度与深度方向均为无限，而其宽度有足够宽。  路面结构分析模型

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T0sinωt 图2 温度疲劳试件 沥青路面结构简化为三层弹性体系模型（图3）。由于将行车荷载作为圆形均布荷载，采用双圆荷载模型，利用叠加原理求解。 行车荷载 沥青混凝土 水泥稳定碎石 土基 图3 沥青路面结构三层体系  损伤力学问题的提法 建立沥青路面结构疲劳破坏问题的损伤力学理论模型，提出问题所要满足的全部基本方程，以及定解边界条件。  关于求解方法的研究 进行损伤力学理论模型求解方法的研究，建立损伤力学问题的有限元求解格式，编制相应的计算机计算程序。选定某一实际路段进行实例计算，得出疲劳损伤过程中应力、应变、位移场、损伤场演变规律的数值模拟计算结果，以及路面结构疲劳寿命的理论预测值。 ５．室内模拟试验 室内模拟试验（图4）拟在可实现温度控制的（AAPA）疲劳试验机上进行。分别在不同应力集中程度进行疲劳试验。同一组的试件又分别在不同的荷载下和温度变化下进行疲劳试验，观测记录时间起裂的部位、时间、并对裂缝扩展过程进行观测记录。

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移动荷载 沥青混合料梁（板） 有裂缝（无裂缝）的弹性基础 图4 弹性地基模型试验方法

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4．年度研究计划及预期进展 2001年6月~2001年12月 进行并完成沥青混合料试件荷载疲劳试验，并建立沥青混合 料的损伤失效模式。发表论文1~2篇。 2002年1月~2002年6月 进行并完成沥青混合料试件温度疲劳试验，并建立沥青混合 料的损伤失效模式。发表论文1~2篇。 2002年6月~2002年12月 进行并完成室内模拟模拟试验。发表论文1~2篇。 2003年1月~2003年12月 沥青混合料损伤本构关系的理论研究及新建高等级沥青路面 疲劳开裂问题与疲劳寿命预测的损伤力学研究。发表论文 1~2篇。 2004年1月~2004年6月 计算机程序的编制和实际分析计算，编写结题目报告。 5．预期研究成果 针对实际路面结构，建立起弹性层状体系的损伤力学理论模型。可在理论上对路面结构疲劳破坏这一动态过程中的力学行为进行定量分析与描述，并可在理论上直接对实际路面结构的疲劳寿命与路表弯沉值进行理论预测。可望为沥青路面结构设计分析方法奠定更科学的理论基础。 11

三、经费预算 支 出 科 目 科研业务费 实验材料费 仪器设备费 实验室改装费 协作费 项目组织实施费 金 额 （万元） 3 1 1 1 — — 计 算 依 据 及 理 由 试验、调查、计算 不同沥青及其他材料 部分试验附件和易损耗件（如应变片） 实验室的试验设备改进 注：预算支出科目按下列顺序填写： 1. 科研业务费 2. 实验材料费 3. 仪器设备费 4. 实验室改装费5. 协作费 6. 项目组织实施费。开支范围详见《国家自然科学基金资助项目财务管理办法》第二章。

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