CN110018049A - 一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法。通过不同加载速度下的强度和疲劳试验，基于Desai强度屈服准则，建立了直接拉伸、单轴压缩和间接拉伸三种应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，这意味着只需要获得任意一种应力状态下的疲劳方程，即可预测其他两种应力状态任意应力水平下的疲劳寿命。利用本发明的疲劳寿命预估方法，通过简单的强度试验即可获得相应应力水平下的疲劳寿命，节省了大量的室内试验原材料和测试时间，实现了室内试验简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命的快速统一预估。

Description

一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，更具体的说是涉及一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法。

背景技术

疲劳设计是沥青路面结构设计中的核心内容，疲劳寿命更是直接影响了沥青路面的耐久性，决定了沥青路面的服务周期。目前，国内外所开展的沥青混合料疲劳试验方法有实际路面的疲劳试验、足尺试验和试板试验以及室内小型试件的疲劳试验，由于室内疲劳试验具有方便、成本低及周期短的特点，已被国内外研究人员广泛采用来研究沥青混合料的疲劳寿命。国内外主流的沥青混合料疲劳试验包括单轴压缩、直接拉伸、间接拉伸、三点弯曲、四点弯曲、悬臂梁弯曲和半圆弯曲7种应力状态，但对于同一种沥青混合料，7种不同测试方法得到的疲劳寿命结果是不一致的，甚至是数量级的差异。不仅如此，同一种应力状态，不同的试件尺寸得到的疲劳寿命结果也不尽相同，再加上现有疲劳方程的局限性，疲劳寿命很难预估精准，因此，沥青混合料的抗疲劳性能如何也就无从下结论，这种现象无疑阻碍了沥青路面耐久性的发展。

为了加载测试的方便，简单应力状态(单轴压缩，直接拉伸，间接拉伸)沥青混合料疲劳试验更受国内外研究学者关注，关于简单应力状态下疲劳寿命预估模型，国内外研究学者开展了一系列研究。有学者研究了11种不同的试验方法来评估沥青混合料的疲劳寿命，包括直接拉伸和单轴压缩，弯曲和间接拉伸试验，结果表明，很难从不同试验设备中比较疲劳寿命；有学者通过直接拉伸强度试验，得到了强度与加载速率的变化关系，进而建立了基于真实应力比的疲劳方程，弥补了现行使用传统S-N疲劳方程进行疲劳设计时的不足；有学者对含预制缺口的直接拉伸试件进行疲劳试验，并采用疲劳力学与断裂力学结合的方法对试验结果进行回归分析，表明了两种方法分别得到的沥青混合料直接拉伸疲劳试验结果基本一致；有学者基于粘弹性理论，通过间接拉伸蠕变试验和疲劳试验结果修正了预测模型，得到的预测模型可以预估间接拉伸疲劳寿命；还有学者提出以横向应变建立疲劳方程，并采用应变-温度-寿命疲劳三维曲面模型对疲劳性能进行预估。

因此，虽然是简单应力状态，仍有不同的疲劳寿命预估方法，其试验结果也是不同的，很难进行比较。特别是疲劳试验的结果对其试件的几何形状、尺寸和疲劳加载方式具有较高的敏感性，所以简单应力状态下的疲劳寿命预估模型很难统一。

针对不同简单应力状态下沥青混合料疲劳性能难于统一的问题，专利申请号为CN201810415005.9的发明专利提供了一种不同应力状态下沥青混合料疲劳性能归一化方法，该方法对不同应力状态下沥青混合料疲劳结果进行分析，达到了对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行归一化的目的，实现了不同疲劳试验方法试验结果的统一。但该发明仅提供了不同简单应力状态下的沥青混合料疲劳性能归一化方程，从而得到了对沥青混合料疲劳性能的综合评价方法，并没有针对沥青混合料疲劳寿命的预估进行进一步的研究。

特别的，现有技术中，针对沥青混合料疲劳寿命预估的模型多局限于一种应力状态，也即单向应力状态的模型只能预估单向应力状态的疲劳寿命，而用一种应力状态疲劳模型去预估其他相似应力状态下沥青混合料的疲劳寿命的方法还鲜有报道。

因此，如何提供一种由单向应力状态模型预估其他相似应力状态下沥青混合料的疲劳寿命的预估方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，综合单轴压缩、直接拉伸、间接拉伸三种应力状态下沥青混合料疲劳寿命结果，对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行了归一化处理，实现了简单应力状态疲劳试验结果的统一，更重要的是为简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估提供了一种简单可行的新方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，包括：

(1)、通过不同加载速度下的强度和疲劳试验，建立单向应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，所述单向应力状态是直接拉伸、单轴压缩、间接拉伸中的一种应力状态；

(2)、根据步骤(1)中不同加载速度下的单向应力状态的强度和疲劳试验，确定应力水平和加载速率；

(3)、根据步骤(2)中确定的应力水平和加载速率，进行其他应力状态下的强度试验，得到剪应力强度比；

具体地，对于确定的应力状态，给定一个应力水平，即可计算出初始剪应力强度，同样，根据给出的应力水平，换算出相应的加载速度，在此加载速度上进行强度试验，即可计算剪应力强度，初始剪应力强度与剪应力强度比即剪应力强度比。

(4)、将步骤(3)中得到的剪应力强度比代入步骤(1)中得到的单向应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，得到简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估结果。

通过上述技术方案，本发明的技术效果：对简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命进行归一化处理，得到了简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命统一预估模型，实现了跨应力状态沥青混合料疲劳寿命快速唯一预估，解决了沥青混合料疲劳参数不确定性问题。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，所述不同加载速率下强度试验和所述加载速率对应的不同应力水平下疲劳试验的试验温度为15℃±1℃。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，所述强度试验中，采用Desai屈服面响应函数确定不同应力状态屈服面函数坐标，从而得到不同加载速率下沥青混合料强度屈服面。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，单向应力状态条件下，Desai强度屈服面的表达式为：

即：

式中I₁为应力张量第一不变量，为偏应力张量第二不变量，P_a为大气压力，γ,R为模型参数。

优选的，本发明的技术效果：结合三种简单应力状态得到不同加载速率下沥青混合料强度屈服面。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，所述疲劳试验中，沥青混合料未施加荷载之前对应屈服面坐标原点O；初始应力状态对应屈服面坐标C点；疲劳失效对应屈服面坐标破坏点D。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，沥青混合料强度屈服面中，OC与OD的比值表征了沥青混合料的抗疲劳破坏能力；同时，基于三角形相似，C点纵坐标与D点纵坐标的比值同样反映了沥青混合料抗疲劳破坏能力。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，所述抗疲劳破坏的能力表示：

或

二者表示同一物理意义，进行联立，得到

上式Δ表征疲劳试验时初始应力状态点与其对应的抗力的相对大小；对应不同的应力水平，不同应力水平有疲劳寿命，通过建立Δ与疲劳寿命N_f的对应关系，得到简单应力状态下沥青混合料的疲劳方程：

式中r₂为疲劳方程拟合参数。

优选的，在上述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法中，三种简单应力状态下沥青混合料疲劳方程是统一的，即只需要建立一种简单应力状态沥青混合料疲劳方程，便可外推其他两种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，先对三种简单应力状态沥青混合料进行疲劳特性归一化处理，得到了简单应力状态下疲劳寿命统一预估模型，实现了沥青混合料跨应力状态疲劳寿命快速统一预估，节省了大量的室内试验原材料和测试时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据提供的附图获得其他的附图。

图1为三种应力状态下沥青混合料疲劳寿命与剪应力强度比在双对数坐标中的拟合曲线；

图2为直接拉伸应力状态下沥青混合料疲劳寿命与剪应力强度比在双对数坐标中的拟合曲线；

图3为本发明的疲劳寿命预估流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步说明，需要注意的是，所述实施例只是本发明的一种应用，任何涵盖本发明获得的实施例都应在保护范围内。

本发明实施例公开了一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，通过综合单轴压缩、直接拉伸、间接拉伸三种应力状态下沥青混合料疲劳寿命结果，对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行了归一化处理，得到了简单应力状态下疲劳寿命统一预估模型，实现了沥青混合料跨应力状态疲劳寿命快速统一预估，节省了大量的室内试验原材料和测试时间。

本发明公开了一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，所述疲劳寿命预估方法具体包括如下步骤：

(1)、通过不同加载速度下的强度和疲劳试验，建立单向应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，所述单向应力状态是直接拉伸、单轴压缩、间接拉伸中的一种应力状态；

(2)、根据步骤(1)中不同加载速度下的单向应力状态的强度和疲劳试验，确定应力水平和加载速率；

(3)、根据步骤(2)中确定的应力水平和加载速率，进行其他应力状态下的强度试验，得到剪应力强度比；

(4)、将步骤(3)中得到的剪应力强度比代入步骤(1)中得到的单向应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，得到简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估结果。

为了进一步优化上述技术方案，所述不同加载速率的强度试验和所述对应应力水平的疲劳试验，其试验温度为15℃±1℃。

为了进一步优化上述技术方案，所述强度试验中，采用Desai屈服面响应函数确定不同应力状态屈服面函数坐标，从而得到不同加载速率下沥青混合料强度屈服面。

为了进一步优化上述技术方案，单向应力状态条件下，Desai强度屈服面的表达式为：

即：

式中I₁为应力张量第一不变量，为偏应力张量第二不变量，P_a为大气压力，γ,R为模型参数。

为了进一步优化上述技术方案，所述疲劳试验中，沥青混合料未施加荷载之前对应屈服面坐标原点O；初始应力状态对应屈服面坐标C点；疲劳失效对应屈服面坐标破坏点D。

为了进一步优化上述技术方案，沥青混合料强度屈服面中，OC与OD的比值表征了沥青混合料的抗疲劳破坏能力；同时，从剪应力出发，C点纵坐标与D点纵坐标的比值同样反映了沥青混合料的抗疲劳破坏能力。

为了进一步优化上述技术方案，所述抗疲劳破坏的能力表示：

或

二者表示同一物理意义，进行联立，得到

上式Δ表征疲劳试验时初始应力状态点与其对应的抗力的相对大小，对应不同的应力水平，不同应力水平有不同的疲劳寿命，通过建立Δ与疲劳寿命N_f的对应关系，得到简单应力状态下沥青混合料的疲劳方程：

式中r₂为疲劳方程拟合参数。

为了进一步优化上述技术方案，所述三种简单应力状态下的沥青混合料疲劳方程是统一的，即只需要建立一种简单应力状态沥青混合料疲劳方程，便可外推其他两种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命。

具体实验例及结果分析，如下：

1)单轴压缩疲劳试验

参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，选用SGC成型高度100±2mm，直径为100±2mm的沥青混合料圆柱体试件，加载频率10Hz，测试温度15℃，在疲劳试验之前用抗压强度试验机进行单轴压缩强度试验。测试步骤大致为：

(1)在试件侧面中部安置好两个LVDT位移传感器；

(2)将圆柱体试件放置于加载板，试件上下端部各放一块聚四氟乙烯薄膜，以疲劳试验峰值的10％进行预压；

(3)用恒温箱将试件封闭在温控室，调设温度为15℃，恒温4～5小时后使用MTS-Landmark开始疲劳试验。

2)直接拉伸疲劳试验

(1)将尺寸为400mm×300mm×50mm碾压成型的试样板切割成250×50×50mm的梁式试件；

(2)采用固态配比钢胶胶结直接拉伸梁氏试件与模具；

(3)采用MTS-Landmark材料试验系统在恒温箱15℃的条件下进行疲劳试验。试验数据通过数据系统自动采集，将采集到的数据输入MATLAB编程软件进行力学参数计算。

3)间接拉伸疲劳试验

(1)先成型高度为100±2mm，直径100±2mm的圆柱体试件，在此基础上切割为高度60±2mm，直径100±2mm的圆柱体；

(2)确定试件前后两个截面的中心位置，水平径向引伸计和竖直径向引伸计应保持空间垂直，而且需保证两个引伸计的刀口中心能被两侧的截面中心(亦是圆心)均分；

(3)将试件置于温控箱中，温度恒定为15℃，启动MTS加载系统，由MTS直接采集疲劳寿命，由LVDT位移传感器采集应力应变。

根据三种简单应力状态下的强度和疲劳试验结果，将按照定义计算出的三种简单应力状态下沥青混合料的剪应力强度比和MTS采集到的疲劳寿命平均值列于表1。

表1不同应力状态下疲劳试验剪应力强度比Δ

如图1所示，将三种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命N_f和剪应力强度比Δ在双对数坐标下进行拟合，得到归一化疲劳方程。

事实上，三种应力状态下沥青混合料归一化疲劳寿命预估方程在只有一种应力状态下沥青混合料试验数据的前提下也可得到，以直接拉伸为例，构建沥青混合料归一化疲劳方程，外推另外两种应力状态下沥青混合料疲劳寿命，以直接拉伸为基础的疲劳归一化方程如图2所示，单轴压缩，间接拉伸的疲劳寿命预测结果见表2。

表2简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估结果

从疲劳寿命预估结果来看，以直接拉伸应力状态建立的疲劳特性归一化方程，能够较好的预估单轴压缩和间接拉伸应力状态下沥青混合料的疲劳寿命，不同应力状态下，沥青混合料疲劳寿命预测值与实测值其相对误差可达到4.7％，以满足实际工程需要。同样的，以间接拉伸或单轴压缩应力状态建立的疲劳特性归一化疲劳方程，也能够预估剩余两种应力状态下沥青混合料疲劳寿命。

由此可以看出，简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估只需要进行一种应力状态的强度和疲劳试验，而在给定应力水平的前提下，只需要对另外两种应力水平下对应的加载速率进行强度试验，即可获得剪应力强度比，从而达到疲劳寿命预估的目的。值得提出的是，一般情况下，三种应力状态沥青混合料强度和疲劳试验试件成型的方式、尺寸、形状有所差异，加载方式也不尽相同，基于疲劳特性归一化方程建立的疲劳寿命预估模型消除了这一差异，实现了疲劳试验结果的有效统一，进而为简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命的预估提供了科学又简便的方法。

以上实施例只是为了让本领域的技术人员能够更加了解发明的详细内容并据此实施，并不能用以限定发明保护范围。任何根据本发明精神实质所做的简单修饰或与本发明公开原理相一致的技术特点，都应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，所述疲劳寿命预估方法具体包括如下步骤：

(1)、通过不同加载速度下的强度和疲劳试验，建立单向应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，所述单向应力状态是直接拉伸、单轴压缩、间接拉伸中的一种应力状态；

(2)、根据步骤(1)中不同加载速度下的单向应力状态的强度和疲劳试验，确定应力水平和加载速率；

(3)、根据步骤(2)中确定的应力水平和加载速率，进行其他应力状态下的强度试验，得到剪应力强度比；

(4)、将步骤(3)中得到的剪应力强度比代入步骤(1)中得到的单向应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，得到简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估结果。

2.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，所述不同加载速率的强度试验和所述对应应力水平的疲劳试验，其试验温度为15℃±1℃。

3.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，所述强度试验中，采用Desai屈服面响应函数确定不同应力状态屈服面函数坐标，从而得到不同加载速率下沥青混合料强度屈服面。

4.根据权利要求3所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，单向应力状态条件下，Desai强度屈服面的表达式为：

即：

式中：I₁为应力张量第一不变量；为偏应力张量第二不变量，P_a为大气压力，γ,R为模型参数。

5.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，所述疲劳试验中，沥青混合料未施加荷载之前对应屈服面坐标原点O；初始应力状态对应屈服面坐标C点；疲劳失效对应屈服面坐标破坏点D。

6.根据权利要求5所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，沥青混合料强度屈服面中，OC与OD的比值表征了沥青混合料的抗疲劳破坏能力；同时，从剪应力出发，C点纵坐标与D点纵坐标的比值同样反映了沥青混合料的抗疲劳破坏能力。

7.根据权利要求6所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，所述抗疲劳破坏的能力表示：

或

二者表示同一物理意义，进行联立，得到

上式Δ表征疲劳试验时初始应力状态点与其对应的抗力的相对大小，对应不同的应力水平，不同应力水平有不同的疲劳寿命，通过建立Δ与疲劳寿命N_f的对应关系，得到简单应力状态下沥青混合料的疲劳方程：

式中r₂为疲劳方程拟合参数。

8.根据权利要求7所述的一种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命预估方法，其特征在于，所述三种简单应力状态下的沥青混合料疲劳方程是统一的，即只需要建立一种简单应力状态沥青混合料疲劳方程，便可外推其他两种简单应力状态下沥青混合料疲劳寿命。