沥青混合料劈裂过程数值

内聚力模型将物理断裂 局 限 在 内 聚 力 过 程 区 ，I 型 断 裂 模 式 下 的 内聚力模型如图 1 所示。 Tn 和 δn 分别表示法向内聚力和相对位移。 内 聚力区域就是裂尖和内聚力区域尖端之间的区域，在这个区域内将产 生复杂的断裂行为（包括非线性弹性断裂）。 假想的面是通过内聚力结 合在一起，而内聚力又取决于 2 个面的张开位移。 外荷载的增加将导 致界面张开位移的增加，从而导致内聚力的变化，内聚力先是增加，然 后达到最大值，最后减小直到为零。 内聚力达到最大值标志着裂纹开 始萌生；内聚力减小为零标志着界面的张开位移到达最大值，此时材 料失效，裂纹形成。
量。理论上，断裂能等于 T-δ 曲线下方的面积。双线性 CZM 假定：在内
聚力达到开列强度之前（δ≤δ0），内聚力区域的材料是线弹性的；在 内 聚 力 达 到 开 裂 强 度 之 后 （δ0≤δ≤δf），材 料 表 现 为 线 性 软 化 行 为 ，是 材 料的软化阶段，也称为损伤阶段。
科技信息
○公路与管理○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2012 年 第 33 期
沥青混合料劈裂过程数值分析
Hale Waihona Puke Baidu
安锦 （南阳通途公路勘察设计有限公司 河南 南阳 473000）
【摘 要】为深入分析沥青混合料在荷载作用下的破损机理，将扩展有限元法引入到沥青路面计算，以沥青混合料劈裂试验为例，利用有限 元软件，采用双线性内聚力模型模拟劈裂试验裂纹扩展过程，并将数值模拟结果和试验结果进行了比较分析。 结果表明数值计算结果和试验结 果吻合很好，扩展有限元法应用于沥青路面结构计算分析是可行的。
图 2 双线性内聚力模型 Fig.2 Bilinear cohesive zone model
1 沥青混合料损伤断裂模型
沥青混合料是一种准脆性材料，在裂纹形成过程中，伴随着集料 嵌锁、微裂缝和非弹性变形等复杂过程，因此如何准确描述沥青混合 料 在 破 坏 过 程 中 的 损 伤 断 裂 特 性 是 个 关 键 。 内 聚 力 模 型 （Cohesive Zone Model ,CZM）是由 Dugdale 和 Barenblatt 首先提出，目前已广泛应 用 于 混 凝 土 、陶 瓷 等 材 料 ，指 数 型 CZM 和 双 线 性 CZM 已 被 用 于 模 拟 沥青混合料的断裂行为[3-6]，已有的研究表明 ，使用指数型 CZM 会导致 材料的人为屈服现象，双线性 CZM 更适用于沥青混合料[5-6]。 因此，本 文拟使用双线性内聚力模型。
【关键词】沥青路面；沥青混合料；劈裂；有限元法 Numerical Study on Splitting Process of Asphalt Mixtures
【Abstract】The extended finite element method is introduced to analyze the damage mechanism of asphalt mixtures. By means of bilinear cohe sive zone model, the whole process of splitting test is simulated. The crack initiation and propagation process is studied. The numerical simulation re sults and the test results are compared and analyzed. The study indicates that the compute results are in good agreement with test results, the extend ed finite element method is capable of simulate and analyze asphalt pavement structure.
【Key words】Asphalt pavement; Asphalt mixture; Splitting；Finite element method
0 引言
沥青路面以其优良的路用性能已成为高速公路建设路面材料的 首选，但外界环境变化对沥青路面的承载能力影响显著。 沥青路面常 见病害如高温车辙、低温开裂及疲劳破坏等与沥青混合料的性能关系 密切。 因此研究沥青混合料的破损机理是了解沥青路面结构行为、损 伤规律、裂缝形成与扩展的基础，具有重要的理论意义和实用价值。
沥青混合料损伤断裂属强不连续问题，常规有限元法要求在单元 内部形函数连续且材料性能不能突变，在处理像裂纹这样的强间断问 题时，必须将裂纹面设置为单元的边，裂尖设置为单元的结点，在裂尖 附近的高应力梯度区需要高密度网格，同时在模拟裂纹生长扩展时还 需要对网格进行重新剖分，效率极低甚至无能为力。 在处理多裂纹复 杂问题时，其工作量之大是难以接受的。 为了解决上述类型问题，扩展 有 限 元 法[1-2]（XFEM）应 运 而 生 ，是 近 年 来 发 展 起 来 的 一 种 新 的 数 值 方 法，它继承了常规有限元法的所有优点，最根本的区别在于它所使用 的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服了在诸如裂纹尖 端等高应力梯度和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难，当 模拟裂纹扩展时也无需对网格进行重新剖分，解决了一些用传统有限 元法不易或无法求解的工程技术问题。 目前，国内扩展有限元法研究 发表工作还不多，具体应用到沥青混合料和沥青路面结构的研究工作 还未见报道，因此本文开展这一方面的一些研究探索工作。
双线性内聚力模型的 T-δ 曲 线 如 图 2 所 示 ， 其 中 T 为 内 聚 力 ；δ
为裂纹面的相对位移；Tc 为材料的力学强度， 是内聚力所能到达的最 大值， 称为开裂强度；δ0 表为内聚力 达 到 Tc 时 裂 纹 面 的 位 移 ；δf 为 裂 纹 面 的 最 大 位 移 ，称 为 失 效 位 移 ；Gc 为 断 裂 能 ，是 指 裂 纹 面 从 位 移 为 零直到完全分离所消耗的能量， 也即材料从完好到断裂所吸收的能