三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法技术

本发明专利技术公开了三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，具体涉及道路工程领域，具体表征方法如下：S1、基于三维应力状态建立强度屈服面模型；S2、建立沥青混合料屈服面响应函数；S3、不同应力状态下疲劳应力路径的确定；S4、基于屈服准则思想的疲劳特性分析新方法。本发明专利技术方法从三维的角度重新定义了疲劳方程，并结合温度对疲劳寿命的影响，用温度对疲劳寿命进行表征。该方法确定的疲劳寿命方程，更科学，也更符合实际，可对我国沥青路面设计起到指导作用。

Temperature dependence characterization of fatigue properties of asphalt mixture under three-dimensional stress

【技术实现步骤摘要】
三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法
本专利技术涉及道路工程
，更具体地说，本专利技术涉及三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法。
技术介绍
交通运输是国民经济的命脉，随着经济建设的发展，对交通的需求日益提高；近十几年来，我国的公路建设得到了迅猛的发展，尤其是高等级公路的发展势头更为强劲，交通运输部统计公报显示：截止2017年底，全国公路总里程477.35万公里，位居世界第二，其中高速公路总里程达13.65万公里。今后十几年内还要新建数万公里高速公路和百万公里普通公路，更有数百万公里的公路亟需升级改造，其中高等级公路绝大部分为沥青路面。我国在高等级公路沥青路面的建设实践中，积累了丰富的经验，解决了许多关键科学技术问题。但按现行设计方法修筑的沥青路面其预期结构行为响应特性、性能演变规律等与实际情况存在较大的出入，从而引起公众对沥青路面的设计、施工及养护等工作产生质疑，造成了不良的社会影响。究其原因是众多因素造成的，但与设计方法所存在的先天不足却有着直接的关系。我国沥青路面设计方法采用力学-经验法：用力学方法计算路面结构的荷载响应，以均质各向同性线弹性力学作为结构响应计算的力学模型，弹性模量为计算参数；经验的方法确定路面结构的抗力，通过室内试验和大量的现场检测、破坏状态调研，结合材料的强度与疲劳特性，确定路面结构的设计标准。沥青路面结构设计采用的材料参数有：强度参数：极限强度。由极限强度与结构疲劳强度特性确定各结构层的抗力。刚度参数：回弹模量—计算路面结构的力学响应。疲劳参数：结构疲劳强度特性。长期以来，沥青混合料疲劳特性研究一直是国内外道路工作者普遍关心的热点问题。在车轮荷载作用下，沥青路面处于明显的三维复杂应力状态，其承受的三向主应力不等，且可能是压或拉应力的不同组合。在三向压缩荷载作用下，沥青混合料的强度会有所增大；在拉压荷载作用下，沥青混合料的强度可能会有所减小。因此，现行的以最大拉应力作为破坏准则的沥青路面结构设计方法，有时会偏于保守，有时也会很危险。沥青路面设计所采用的一维强度准则不能客观表征沥青路面实际的三维应力状态，沥青路面结构各点均处于复杂应力状态，沥青路面设计采用最大拉应力和最大拉应变强度准则，只考虑了一维应力状态，采用一维强度准则表征三维应力状态下材料的破坏特征没有考虑除最大拉应力(拉应变)之外其他应力应变分量对破坏的影响。为了更加客观、全面、科学、准确地表征路面结构的破坏情况，应引入三维应力状态对路面结构的复杂应力情况进行表征，因此本专利技术提出一种三维应力状态下沥青混合料疲劳特性的表征方法。其次，沥青是一种温度敏感性材料，考虑其疲劳特性，必须考虑温度的影响。温度疲劳破坏不容忽视的，从所受荷载模式的角度分析，较低频率的荷载是温度疲劳的主要特点。大多相关文献考虑的是材料的荷载疲劳特性，而对于低频的温度疲劳研究较少。沥青面层内部在寒冷地区常会产生较大的温度差，通常大风天气容易造成温度大幅降低，尤其是沥青混合料表面温度迅速下降，而在沥青混合料底部温度下降有一定的延迟，所以在内外部不可避免的存在温差。因此在沥青面层始终存在一定程度的温度收缩应力，且由于大风降温作用，使得面层表面温度收缩应力最大。若此收缩应力大于其弯拉强度，沥青面层就会产生微裂缝。在南方多雨地区，即使在夏季，由于经常性骤降大雨，同样可使沥青混合料表面温度下降30℃，较大的收缩应力随之产生，这种情况在一个白天可有多次。总而言之，沥青混合料的温度疲劳破坏均是由于温度收缩应力的循环作用使微裂隙不断扩展产生的。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术的实施例提供三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，通过。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，具体表征方法如下：S1、基于三维应力状态建立强度屈服面模型；S1.1、建立三维应力状态下沥青路面材料的破坏准则，通过物体内一点作出无数个不同取向的截面，其中选出三个互相垂直的截面，用这三个截面表达某点上的应力，即此点的应力状态，根据三个主应力轴上的应力值，将应力状态分为三维应力状态、二维应力状态和单向应力状态；S1.2、基于八面体剪应力强度理论，将材料破坏时的任意应力状态用应力空间中的一个点唯一地表征，材料破坏时所有的应力状态构成应力空间中的一个连续曲面，该曲面为材料的强度屈服面，在强度屈服面中，建立主应力空间坐标，生成强度屈服面模型；在强度屈服面模型中，通过主应力轴在等倾面上的投影，确定σ1’、σ2’、σ3’轴，然后经坐标原点与σ1’、σ2’、σ3’轴确定等倾线；在强度屈服面模型中，将应力空间中任意应力矢在等倾线上的投影用八面体正应力表示；将应力矢在等倾面上的投影用八面体剪应力表示；将应力矢方向用罗德角表示；在强度屈服面模型中，不同静水压力下拉伸的屈服点合集形成拉子午线，不同静水压力下压缩的屈服点合集形成压子午线，某一静水压力下所有不同应力状态下屈服点合集形成破坏包络线，破坏包络线包括不同应力状态；最后在不同应力状态的强度屈服面模型中找到将不同应力状态下疲劳特性归一的方法；S1.2.3、利用Tresca屈服条件和Mises屈服条件，确认沥青混合料的屈服面与破坏面区别不大，得到的屈服准则值代表沥青混合料的破坏程度；S2、建立沥青混合料屈服面响应函数；利用屈服面的响应函数描述土工材料和沥青混合料在静水应力下的塑性响应；S3、不同应力状态下疲劳应力路径的确定；在不同应力状态下进行疲劳试验，在应力控制模式下以初始应力水平作为疲劳峰值，不同应力状态下疲劳试验的初始点在不同加载速率下强度屈服面中用坐标表示，不同加载次数下的应力状态点形成疲劳轨迹线，即疲劳应力路径，然后对不同应力状态下疲劳过程始终点进行线性拟合，建立三维应力状态下的疲劳模型；S4、基于屈服准则思想的疲劳特性分析新方法；采用屈服准则思想，利用不同应力状态下强度屈服面和不同应力状态下疲劳应力路径，结合温度对疲劳寿命的影响，通过温度对疲劳模型进行修正，得到一种三维应力状态下沥青混合料疲劳特性的温度相关性表达方法，具体为：轨迹线上初始状态点C到破坏状态点D的距离即CD的长短表征了其抗疲劳破坏的能力，CD越长，其抗疲劳能力越强，此时用OC与OD的长度之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：另一方面，破坏点D点的纵坐标即剪应力强度表征了在对应疲劳试验条件下，材料或结构所具有的抗破坏的能力，对于确定的屈服面条件，即剪应力强度一定的情况下，疲劳试验时的初始剪应力强度越小，其抗疲劳性能越强，此时用C点与D点的纵坐标之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：从以上分析可以看出，两式均具有明确的力学物理意义，二者的数值大小也是相等的，即：在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中，作出的截面上只有正应力作用，剪应力等于零，且三维应力状态为三个主应力不等且都不等于零的应力状态；二维应力状态为三个主应力中只有一个主应力等于零的应力状态，单向应力状态为三个主应力中有两个主应力等于零的应力状态。在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.2中，对于各向同性材料，三维应力状态强度屈服面只与内部材料、密度和空隙率相关，外因与温度、气压和加载速率相关。在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：具体表征方法如下：S1、基于三维应力状态建立强度屈服面模型；S1.1、建立三维应力状态下沥青路面材料的破坏准则，通过物体内一点作出无数个不同取向的截面，其中选出三个互相垂直的截面，用这三个截面表达某点上的应力，即此点的应力状态，根据三个主应力轴上的应力值，将应力状态分为三维应力状态、二维应力状态和单向应力状态；S1.2、基于八面体剪应力强度理论，将材料破坏时的任意应力状态用应力空间中的一个点唯一地表征，材料破坏时所有的应力状态构成应力空间中的一个连续曲面，该曲面为材料的强度屈服面，在强度屈服面中，建立主应力空间坐标，生成强度屈服面模型；在强度屈服面模型中，通过主应力轴在等倾面上的投影，确定σ1’、σ2’、σ3’轴，然后经坐标原点与σ1’、σ2’、σ3’轴确定等倾线；在强度屈服面模型中，将应力空间中任意应力矢在等倾线上的投影用八面体正应力表示；将应力矢在等倾面上的投影用八面体剪应力表示；将应力矢方向用罗德角表示；在强度屈服面模型中，不同静水压力下拉伸的屈服点合集形成拉子午线，不同静水压力下压缩的屈服点合集形成压子午线，某一静水压力下所有不同应力状态下屈服点合集形成破坏包络线，破坏包络线包括不同应力状态；最后在不同应力状态的强度屈服面模型中找到将不同应力状态下疲劳特性归一的方法；S1.2.3、利用Tresca屈服条件和Mises屈服条件，确认沥青混合料的屈服面与破坏面区别不大，得到的屈服准则值代表沥青混合料的破坏程度；S2、建立沥青混合料屈服面响应函数；利用屈服面的响应函数描述土工材料和沥青混合料在静水应力下的塑性响应；S3、不同应力状态下疲劳应力路径的确定；在不同应力状态下进行疲劳试验，在应力控制模式下以初始应力水平作为疲劳峰值，不同应力状态下疲劳试验的初始点在不同加载速率下强度屈服面中用坐标表示，不同加载次数下的应力状态点形成疲劳轨迹线，即疲劳应力路径，然后对不同应力状态下疲劳过程始终点进行线性拟合，建立三维应力状态下的疲劳模型；S4、基于屈服准则思想的疲劳特性分析新方法；采用屈服准则思想，利用不同应力状态下强度屈服面和不同应力状态下疲劳应力路径，结合温度对疲劳寿命的影响，通过温度对疲劳模型进行修正，得到一种三维应力状态下沥青混合料疲劳特性的温度相关性表达方法，具体为：轨迹线上初始状态点C到破坏状态点D的距离即CD的长短表征了其抗疲劳破坏的能力，CD越长，其抗疲劳能力越强，此时用OC与OD的长度之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：...

【技术特征摘要】
1.三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：具体表征方法如下：S1、基于三维应力状态建立强度屈服面模型；S1.1、建立三维应力状态下沥青路面材料的破坏准则，通过物体内一点作出无数个不同取向的截面，其中选出三个互相垂直的截面，用这三个截面表达某点上的应力，即此点的应力状态，根据三个主应力轴上的应力值，将应力状态分为三维应力状态、二维应力状态和单向应力状态；S1.2、基于八面体剪应力强度理论，将材料破坏时的任意应力状态用应力空间中的一个点唯一地表征，材料破坏时所有的应力状态构成应力空间中的一个连续曲面，该曲面为材料的强度屈服面，在强度屈服面中，建立主应力空间坐标，生成强度屈服面模型；在强度屈服面模型中，通过主应力轴在等倾面上的投影，确定σ1’、σ2’、σ3’轴，然后经坐标原点与σ1’、σ2’、σ3’轴确定等倾线；在强度屈服面模型中，将应力空间中任意应力矢在等倾线上的投影用八面体正应力表示；将应力矢在等倾面上的投影用八面体剪应力表示；将应力矢方向用罗德角表示；在强度屈服面模型中，不同静水压力下拉伸的屈服点合集形成拉子午线，不同静水压力下压缩的屈服点合集形成压子午线，某一静水压力下所有不同应力状态下屈服点合集形成破坏包络线，破坏包络线包括不同应力状态；最后在不同应力状态的强度屈服面模型中找到将不同应力状态下疲劳特性归一的方法；S1.2.3、利用Tresca屈服条件和Mises屈服条件，确认沥青混合料的屈服面与破坏面区别不大，得到的屈服准则值代表沥青混合料的破坏程度；S2、建立沥青混合料屈服面响应函数；利用屈服面的响应函数描述土工材料和沥青混合料在静水应力下的塑性响应；S3、不同应力状态下疲劳应力路径的确定；在不同应力状态下进行疲劳试验，在应力控制模式下以初始应力水平作为疲劳峰值，不同应力状态下疲劳试验的初始点在不同加载速率下强度屈服面中用坐标表示，不同加载次数下的应力状态点形成疲劳轨迹线，即疲劳应力路径，然后对不同应力状态下疲劳过程始终点进行线性拟合，建立三维应力状态下的疲劳模型；S4、基于屈服准则思想的疲劳特性分析新方法；采用屈服准则思想，利用不同应力状态下强度屈服面和不同应力状态下疲劳应力路径，结合温度对疲劳寿命的影响，通过温度对疲劳模型进行修正，得到一种三维应力状态下沥青混合料疲劳特性的温度相关性表达方法，具体为：轨迹线上初始状态点C到破坏状态点D的距离即CD的长短表征了其抗疲劳破坏的能力，CD越长，其抗疲劳能力越强，此时用OC与OD的长度之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：另一方面，破坏点D点的纵坐标即剪应力强度表征了在对应疲劳试验条件下，材料或结构所具有的抗破坏的能力，对于确定的屈服面条件，即剪应力强度一定的情况下，疲劳试验时的初始剪应力强度越小，其抗疲劳性能越强，此时用C点与D点的纵坐标之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：从以上分析可以看出，两式均具有明确的力学物理意义，二者的数值大小也是相等的，即：2.根据权利要求1所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.1中，作出的截面上只有正应力作用，剪应力等于零，且三维应力状态为三个主应力不等且都不等于零的应力状态；二维应力状态为三个主应力中只有一个主应力等于零的应力状态，单向应力状态为三个主应力中有两个主应力等于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕松涛，樊喜雁，夏诚东，陈东，张芳超，郑健龙，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43