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原文传递沥青混合料粘弹塑本构模型与长期蠕变行为的实验研究

论文题名：	沥青混合料粘弹塑本构模型与长期蠕变行为的实验研究
关键词：	道路工程;沥青混合料;粘弹塑本构模型;蠕变行为
摘要：	车辙是沥青路面的一种主要破坏模式，它的形成是由于路面在长期的循环轮载作用下产生大的永久变形引起的。通过实验手段研究沥青混合料的长期力学性能，并建立能合理描述其力学行为的本构关系，对于分析路面变形特征，评估和改进路面的抗车辙能力，有着重要的理论和工程实际意义。论文通过开展单轴压缩条件下长、短期力学性能测试，研究了不同类型沥青混合料的粘弹塑性、温度敏感性和长期蠕变特性，建立了针对不同材料的本构模型。考虑到沥青混合料力学性能所具有的明显随机性，提出了一个含随机参数的粘弹塑本构模型，并以此模型为基础分析了橡胶颗粒沥青混合料的力学性质。论文的主要创新性研究成果包括：　　（1）提出了一个以真应力和真应变描述的沥青砂粘弹性本构模型。由于沥青砂在长期力的作用下会产生大变形，采用真应力和真应变描述材料的应力、应变状态具有更加明确的物理意义。引入了与真应力和真应变对应的真蠕变柔量概念，采用线性粘弹性积分本构模型描述真应力和真应变之间的关系。通过开展不同温度、不同应力水平下的短期恒载蠕变实验，得到了与工程应力和真应变对应的材料虚蠕变柔量，之后基于时间-温度等效原理构造了在某一参考温度下的虚蠕变柔量主曲线。进一步，推导了虚蠕变柔量与真蠕变柔量之间的积分关系，采用径向粒子基数值方法求解出真蠕变柔量主曲线，由此可以实现对沥青砂在不同温度和工程应力水平下蠕变行为的预测。　　（2）提出了修正的Cross粘弹性本构模型，以预测沥青砂的长期蠕变变形。设计了一种机械式的长期蠕变实验仪，用于测量沥青砂在不同应力水平下的长期蠕变变形。引入一个长期修正因子，对Cross粘弹性本构模型进行修正，同时借助时间-温度等效原理，通过一系列等速率压缩实验和短期蠕变实验确定Cross本构模型参数和时温移位因子，预测了沥青砂的长期蠕变变形，并与实验结果进行了比较，证实了修正的Cross粘弹性本构模型能够更准确地预测沥青砂的长期力学行为。　　（3）将理想级配沥青混合料的变形分解为可回复和不可回复两部分，分别采用简化的Schapery非线性粘弹性本构模型描述可回复变形，采用Swchartz粘塑性本构模型描述不可回复变形，建立了一个适合刻画理想级配沥青混合料粘弹塑性性质的粘弹塑性本构模型。在Swchartz粘塑性本构模型中引入一个非线性应力函数，用来描述应力与粘塑性应变率之间的复杂关系。利用蠕变实验和应力递增的反复蠕变-回复实验，确定模型参数。采用递推格式的数值计算方法求解，预测了理想级配沥青混合料在蠕变，蠕变时间递增的反复蠕变-回复和随机载荷等条件下的变形历程，并与实验结果进行了比较。　　（4）建立了一个含随机参数的粘弹塑性本构模型。沥青混合料内部骨料的随机分布导致其力学性质具有明显的分散性。为了描述材料力学行为的随机性，在粘弹塑性本构模型中引入一个随机参数，并用对数正态概率密度函数描述随机参数的分布规律。通过相同条件下的多次重复实验获得随机参数的样本，采用最大似然法确定概率密度函数中的参数。基于概率统计理论，预测了在一定概率条件下材料变形的区间范围，并通过与实验结果的比较进行了验证。最后，基于此随机模型，分析了两种粒径的橡胶颗粒对沥青混合料的改性作用。
作者：	白凡
专业：	固体力学
导师：	杨新华
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文