沥青混凝土面层式基床轨下基础疲劳损伤机理研究

沥青混凝土作为公路路面常用材料，具有承载力好、防水性强以及减震降噪等优点，逐渐被应用到新型铁路轨下基础基床结构中，然而对于其耐久性问题尚无定论，因此有关沥青混凝土面层式基床疲劳损伤机理还有待进一步的研究。本课题在对有关铁路沥青混凝土前期研究工作的基础上，围绕沥青混凝土面层式基床结构动力学响应、损伤模式以及疲劳寿命预测等方面开展了系统研究。通过室内材料参数试验测定铁路沥青混凝土动力学参数、抗水损参数、抗弯拉性能以及温度敏感性参数，采用室内足尺动力模型试验测定沥青混凝土面层式基床结构的内部动力学响应规律和损伤模式，结合数值仿真和回归分析等研究手段，开展其结构动力学响应及疲劳损伤影响因素的敏感性分析，建立沥青混凝土面层式基床结构的疲劳寿命预测方法，相关的研究成果可以促进沥青混凝土在铁路轨下基础结构中的应用。 2100433B

沥青混凝土作为公路路面常用材料，具有承载力好、防水性强以及减震降噪等优点，逐渐被应用到新型铁路轨下基础基床结构中，然而对于其耐久性问题尚无定论，因此有关沥青混凝土面层式基床轨下基础疲劳损伤机理还有待进一步的研究。在申请者对有关铁路沥青混凝土前期研究工作的基础上，本课题拟围绕沥青混凝土面层式基床轨下基础结构动力学响应、损伤模式以及疲劳寿命预测等方面开展研究。通过室内材料参数试验测定铁路沥青混凝土动力学参数、抗水损参数、抗弯拉性能以及温度敏感性参数，采用室内动力模型试验测定沥青混凝土面层式基床轨下基础结构的动力学响应规律和损伤模式，结合数值仿真计算和回归分析等研究手段，开展其结构动力学响应及疲劳损伤影响因素的敏感性分析，建立沥青混凝土面层式基床轨下基础结构的疲劳寿命预测模型，为沥青混凝土在铁路轨下基础结构中的应用提供理论基础及技术支撑。

国内外疲劳性能研究难以考虑有轨电车整体道床在实际工程环境下疲劳损伤力学机理及预估模型，本项目拟通过试验模型/数值计算/理论分析/现场测试等技术手段：①精细定义轮轨动态接触/温度边界条件/材料疲劳属性/结构层间弹性接触，建立荷载-温度双相耦合情况下整体道床疲劳性能分析三维有限元统一模型，并通过试验模型确定相关计算参数和验证；②提出疲劳损伤的直观表征指标刚度衰变参量与疲劳寿命，运用因次分析法及雨流计数法全面分析行车荷载/温度荷载/结构设计等多维复杂因素对整体道床疲劳损伤的影响规律及其耦合效应，通过降维筛选得荷载-温度耦合作用下有轨电车整体道床疲劳损伤的显著影响因素；③构建了荷载-温度耦合作用下有轨电车整体道床疲劳寿命与显著影响因素的理论关系，为区分有轨电车整体道床与高速铁路无砟轨道的疲劳损伤力学机理提供了理论依据。研究成果可用于预估有轨电车整体道床的疲劳寿命，为整体道床设计与评价提供理论基础。

疲劳是零件由于循环载荷引起的局部损伤的过程，是一个由包括零件裂纹萌生、扩展和最终断裂等组成的累积过程所导致产生的综合结果。在循环加载期间，在最高应力区域发生局部塑性变形，这种塑性变形引起零件的永久损伤和裂纹扩展。随着零件所承受的加载循环次数不断增加，裂纹长度(损伤)随之增加。在达到一定循环次数之后，裂纹将导致零件失效(断裂)。

通常，疲劳过程可以观察到裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和最终断裂四阶段。

裂纹在接近高应力集中的局部剪切面上开裂，如稳定滑移带、夹杂物、疏松或晶粒不连续分布等，局部剪切面通常发生在晶粒表面或边界之内。在这一阶段，裂纹成核是疲劳过程的第一步。一旦裂纹成核并且持续施加循环载荷，裂纹就会沿着最大切应力面并通过晶粒边界扩展。

在工程应用中，将零件在裂纹成核和微观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹萌生阶段，而将零件在宏观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹扩展阶段。通常，对从萌生到扩展的过渡阶段无法做出精确的定义。钢制零件的裂纹萌生阶段一般占其疲劳寿命的大部分，特别是在高周疲劳状态下(约大于10000次循环)。在低周疲劳状态下(约小于10000次循环)，疲劳寿命的大部分时间耗费在裂纹扩展。

一旦裂纹形成或者发生完全失效，就可以检查到疲劳失效的表面。弯曲或轴向疲劳失效通常会留下蛤壳状或海滩状斑纹，这些斑纹的名称源自断裂表面的形貌特征。裂纹成核区域位于壳的中央，裂纹像是从裂纹成核所在区域扩展开来的样子，通常呈辐射状，留下一个半椭圆形的图案。在某些情况下，通过检测裂纹部位所遗留海滩斑纹的尺寸和位置，可以识别裂纹扩展开始或者结束的不同阶段。海滩斑纹的线条呈条纹状与树干横断面的年轮线相似。这些条纹状呈现出在一个加载循环期间裂纹扩展的范围。与树类似，树每年长一圈，而疲劳损伤则在每个加载循环产生一个圈。在发生疲劳失效时，会出现一个最终的剪切裂痕，这是材料在失效之前对载荷的最后一点支撑。切变裂痕的尺寸取决于加载的类型、材料和其他条件。

岩体在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一，研究周期荷载作用下岩石的疲劳变形特性及损伤演化规律，有助于正确认识岩体的破坏机理，科学地评价岩体的长期稳定性。本项目以裂隙岩石注浆加固体为研究对象，对注浆加固体的疲劳破坏机理以及损伤演化规律进行基础科学研究。通过裂隙岩石注浆加固后的静动态加载实验，分析注浆加固体的强度与变形规律，揭示裂隙岩石注浆加固后的静态加载破坏机理。研究疲劳破坏过程中不可逆变形的变化规律，探讨疲劳损伤累积量的影响因素以及影响规律，对比静态破坏机理、原裂隙岩石疲劳破坏机理，揭示注浆加固后的疲劳破坏机理。观测残余塑性变形、剩余强度和寿命随循环次数的变化规律，建立循环次数与残余塑性应变之间的对应关系，利用残余应变差来定义损伤变量，推导损伤演化方程，对承受循环荷载作用的注浆加固岩体进行剩余寿命预测，为采矿、隧道、边坡等岩土工程注浆加固提供理论和实验依据。