基于改进的内聚力模型模拟沥青混合料裂纹扩展

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1、222科技研究城市道桥与防洪2015年8月第8期基于改进的内聚力模型模拟沥青混合料裂纹扩展刘海涛，严明星(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430023)摘要：通过带预切口的三点弯曲梁断裂试验评定沥青混合料的断裂行为，测定不同温度条件下(ooc、5℃、IO~C)的断裂能，研究其裂纹扩展规律。结果表明，随着温度升高，沥青混合料黏弹性影响增大，裂纹萌生、扩展需要消耗更多能量，断裂能逐渐增大。利用损伤因子对内聚力模型法向应力与张开位移关系进行改进，提出改进的内聚力模型，并利用改进的内聚力模型和扩展有限元法对带预切口的三点弯曲梁I型裂纹扩展进行数值分析，数值结果与试验结果

2、吻合较好。关键词：道路工程；内聚力模型；扩展有限元；沥青混合料；断裂能中图分类号：U414文献标志码：A文章编号：1009—7716(2015)08—0222—050引言1CZM及断裂能过去几十年，众多研究学者基于经验和理论Bazan和Planas[研究表明：沥青混合料等准脆方法研究了沥青路面的开裂机理，其中最具代表性材料在温度不高时(小于30％)，裂纹萌生尖端性的是美国战略公路研究计划(theStrategic会形成一个非线性软化区域，由于空隙、微裂纹、HighwayResearchProgram，SHRP)利用间接拉伸试界面损伤等的存在，非线性软化区域中软化损伤验(th

3、eIndirectTensionTest，IDT)研究沥青混合料演化占有很大比例。的开裂行为，但IDT并不能研究裂纹萌生及后峰可见软化损伤演化行为是沥青混合料开裂行值的软化行为，存在一定局限性。为重要特征，CZM能够很好地表征这种软化特性。近年来，基于内聚力模型(Cohesivezone1．1CZM及断裂能简介model，CZM)断裂能指标被越来越多地用于沥青混内聚力(CohesiveTraction1实质上是材料中分合料抗裂性能评价【。Barenblatt最早提出采用CZM子原子之间的相互作用力，通过对断裂过程中的研究准脆性材料的断裂行为l4】。Xu和Needlemenr

4、]内聚力分析，I型张开型裂纹的内聚力模型可以通采用指数型CZM，预先将内聚力单元插入到有过内聚力一位移(t-6)曲线描述，如图1所示，图中限元网格边界上，分析了I型裂纹动态扩展过t是内聚力，是裂纹尖端张开位移，t是裂纹的开程，但CZM全曲线为指数函数形式使得曲线上裂强度，开裂强度对应的张开位移称为，裂纹体升段的刚度偏小。Espinosa和Zavattieri[】通过改变受到外荷载作用时，内聚力将增加，达到开裂强度内聚力曲线的起始率，采用双线性模型来避免刚t后，就会逐渐降低，最终达到开裂位移，称为失效度偏柔问题，但后峰值软化段与试验存在一定差位移。曲线所包围的面积称为断裂能G

5、，当60m<6<异。时，沥青混合料裂纹扩展处于软化阶段。三点弯曲梁(thesingle—edgebeam，SEB)试件由于形状简单，可通过室内车辙板、现场路面切割获得，已广泛用于沥青混合料开裂行为研究。本文拟采用带预切口的SEB试件测定沥青混合料的断裂能，利用改进的CZM和扩展有限元法(ExtendedfiniteelementMethod，XFEM)对带预切口的SEB试件进行数值模拟。收稿日期：2015—03—19作者简介：刘海涛(1973一)，男，吉林汪清人，硕士，高级工程师，从事道路设计工作。图1CZM的f一6曲线2015年8月第8期城市道桥与防洪科技研究223断裂能

6、是CZM的一个重要参数，从能量的角度分析，真实裂纹尖端的内聚力最大，虚拟裂纹尖毒。(5)端的内聚力为零，裂纹扩展过程中，断裂过程区的裂纹需要克服内聚力做功，做功即为形成新裂纹式中：：为损伤发生时的应力。面所消耗的能量。基于此概念，Wagoner＆将断式(5)可以进一步表示为：裂能用于评价沥青混合料的抗裂性能。≥6P器6e卅一6：㈦1．2改进的CZM基于内聚力确定的CZM已成功用于沥青混合料的裂纹扩展分析，常用的CZM有指数型CZM和D_l_Xp(一专)=l-e．eXp()(7双线性CZM。Ortiz[m]指出指数型CZM下降段能有采用式(4)拟合式(7)，可标定参数0／．，

7、二者拟效模拟后峰值阶段裂纹扩展，但是其上升段刚度合结果见图3所示，由图可以看出，通过调整参数偏柔；Song~“1分析指出采用双线性CZM要优于指d：10时可采用该模描i术榻伤因子演化讨稗数型CZM，但是当沥青混合料达到开裂强度后，损伤演化采用线性衰减并不合理。因此，需对CZM进行改进，改进的CZM如图2所示。I口图3两种损伤因子演化规律图CZM一般形式为【21：2SEB试验f(1-D)≥02．1试验方法(1)<0试验采用AC一10沥青混合料，制作车辙板并切割成250mm×35mmX30mm小梁试件，梁底中部j(1-