沥青混合料粘弹粘塑性损伤本构模型

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1、STUDYONTHEVISCOELASTIC．VISCOPLASTICDAMAGECONSTITUTIVEMODELFORASPHAl月MIXTURESANDRUTTINGPREDICTIoNOFASPHAl』PAVEMENTADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofScienceByHao—ranZhuSupervisedByProfessorLUSunSchoolofTransportationSoutheastUniversityNovember2012东南大

2、学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导_!JifiJsh'导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名期：护／2．／／

3、，占东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相

4、一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内研究生签名芈日摘要沥青混合料粘弹．粘塑性损伤本构模型及沥青路面车辙预测研究研究生：朱浩然导师：孙璐教授学校名称：东南大学车辙是沥青路面在车辆重复荷载作用下产生的永久累积变形，它的出现将影响行车舒适性，严重时危及交通安全，不仅给社会带来不良影响，而且在经济上造成巨大损失。沥青材料具有复杂的时间依赖性属性，通过非线性固体力学理论对沥青路面力学行为进行建模和预估已成为道路工程研究领域的重点和难点。本文以不可逆热力学为理论基础，通过建立粘弹．粘塑性损伤本构关系来描述沥青混合料的与时间相

5、关性力学行为，实现了基于粘弹．粘塑性损伤本构模型的有限元计算，为有效地分析和预测路面车辙提供理论基础和技术手段。本文研究成果可以为我国重载交通沥青路面的建设养护管理提供决策依据，具有重要的学术价值和现实意义。本论文开展了如下工作：(1)基于沥青路面的力学行为和沥青混合料的试验现象，将线性粘弹性和粘塑性损伤二者有机地结合起来，建立粘弹．粘塑性损伤本构模型框架，可以从本质上反映沥青混合料的与时间相关性力学行为，为沥青路面结构的非线性分析提供理论基础。(2)以不可逆热力学理论为基础，选取反映系统内部结构演化发展的粘塑性累积应变和损伤标量作为内部状态变量，建立描述变量演化规律

6、的Helmholtz自由能函数和反映能量耗散行为的耗散势函数，推导出粘弹．粘塑性损伤本构方程及内变量演化方程，使得本构理论更为全面系统并符合自然界的普遍规律。将建立的本构模型用于分析三轴蠕变和三轴等应变率压缩试验，通过参数敏感性分析研究，为更广泛的本构模型应用提供理论基础。在分析过程中，对于粘弹性模型，基于粘弹性泊松比将一维的本构模型推广至三维情况，分别推导了粘弹性的三轴蠕变和三轴等应变速率压缩的应力一应变理论关系，以准确地计算径向应变，进而分析沥青混合料的体积变形特征。(3)通过自行设计的径向应变测试装置，巧妙地利用了现有设备UTM的线性位移传感器，将沥青混合料试件

7、周长的变化转换为径向应变数据，可同时测试并记录试件的轴向和径向应变，实现了对沥青混合料径向变形和体积变化的测试，为本构模型参数标定奠定了试验基础。(4)采用荷载水平较低和作用时间较短的静态蠕变一恢复试验将粘弹．粘塑性应变进行分离，为与模型原理保持一致，采用粘弹性泊松比，分别标定粘弹性和粘塑性参数。在此基础T上，采用蠕变至破坏试验标定粘塑性损伤参数。在标定粘塑性损伤参数时，以三维应变的最小平方差为拟合目标建立目标函数，通过多维非线性约束优化的方法实现对参数的优化估计，确保体积变形特征描述的准确性。最后采用动态模量试验、等应变速率加载试验和重复蠕变．恢复试验对参数的准确性

8、进行验证。(5)利用增量应变条件下计算尝试应力判断材料是否进入屈服状态，基于径向返回算法的全隐式积分方法计算子步条件下相应的演化变量，推导出粘塑性损伤应变增量和内部状态变量增量的公式，从而更新增量步的状态变量。依据理论公式编制了能够在ABAQUS有限元软件中调用的粘弹．粘塑性损伤本构模型UMAT子程序，并进行相关验证。(6)基于粘弹．粘塑性损伤本构模型和编制的UMAT子程序，采用荷载等效方法，建立了沥青路面车辙变形预估方法。为验证车辙预测方法的有效性，分别进行不同温度、不同荷载、一次变载、逐级变载等复杂条件下的室内车辙试验，并利用ABAQUS进行有限