基于细观非均质模型的水稳碎石基层材料疲劳开裂研究

为了研究细观非均质性对水稳碎石基层(CTB)材料疲劳开裂行为的影响,首先,采用离散元法(DEM)和随机算法建立细观非均质随机骨料数值模型;其次,利用数字图像处理技术(DIP)实现模型重构,并结合纳米压痕试验确定材料力学参数分布;第三,基于建立的DIP重构模型进行参数反演获取模型参数,并基于平行黏结衰变表征循环荷载下的疲劳衰变行为;最后,基于建立的细观模型开展虚拟半圆弯曲(SCB)强度和疲劳试验,模拟细观疲劳开裂过程,并探索细观非均质性对结构疲劳开裂行为的影响。研究结果表明:CTB材料疲劳裂纹的形成经历了平稳扩展和快速贯通的过程,张力是疲劳开裂演化的驱动力,砂浆−骨料界面是疲劳开裂的薄弱区域;疲劳损伤在循环加载过程中呈非线性累积,应力与疲劳寿命之间呈指数函数关系;提升材料的抗拉强度是改善结构疲劳抗裂能力的关键措施。砂浆材料的性能随机场显著影响水稳碎石的疲劳断裂行为。随着材料属性离散程度增加,同等应力比水平下CTB材料损伤增长速度降低,裂纹扩展路径延长,试件断裂时的微裂纹总量提高,疲劳寿命增大,然而,过于离散的材料性能又显著降低材料的抗拉强度,削弱结构的承载能力,降低疲劳寿命。在施工过程中,合理控制砂浆的均匀性有益于提高CTB材料的抗疲劳开裂能力。