淺析瀝青混凝土本構(gòu)模型

1、淺析瀝青混凝土本構(gòu)模型摘要：瀝青混凝土材料作為路面工程中最常用的結(jié)構(gòu)材料，具有良好的強度、 耐久性、溫度穩(wěn)定性。近年來，我國瀝青混凝土基礎(chǔ)理論不斷完善和土木工程技 術(shù)迅速發(fā)展，瀝青混凝土本構(gòu)模型的研究對未來材料應(yīng)用發(fā)展，具有重要的意義。 本文介紹瀝青混凝土本構(gòu)關(guān)系發(fā)展概況，對本構(gòu)模型進行了簡要分析。關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；本構(gòu)模型1概述本構(gòu)關(guān)系作為一種常用的反映物質(zhì)宏觀性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型可以充分體現(xiàn)瀝青混 凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?；炷潦且环N以水泥為膠凝材料的多組分多相非勻質(zhì)的復(fù)合 材料，其本構(gòu)模型的研究對認清混凝土強度的形成、破損的過程與機理以及如何 設(shè)計和計算強度具有重要的意義。徐變與收縮、溫度、材料

2、本身的組成和特性等 都可以影響瀝青混凝土的本構(gòu)關(guān)系。因此，考慮各種效應(yīng)組合在混凝土本構(gòu)模型 研究中能夠準確、合理的描述出瀝青混凝土的材料特性。2瀝青混凝土本構(gòu)模型的發(fā)展早在上個世紀五十年代，瀝青混凝土的本構(gòu)關(guān)系研究就取得初步進展。1953 年，通過剛性機對瀝青混凝土進行受壓實驗，得出了瀝青混凝土的強度特性關(guān)系， 隨后將Blot得出的線性粘彈性理論和Onsage的不可逆熱力學(xué)理論有機結(jié)合得出 了內(nèi)蘊時間理論，但是針對彈塑性變形是不太適合的；1970年，Duncan，J.M,和 Chang,C.Y.二人基于不遵守摩爾-庫侖強度理論的破壞準則，針對土的應(yīng)力-應(yīng)變非 線性分析提出了鄧肯-張非線性彈性模

3、型，目前國內(nèi)外研究瀝青混凝土本構(gòu)關(guān)系采 用這種模型來描述，廣泛應(yīng)用到瀝青混凝土彈性非線性分析之中1； Mazars利用 單軸實驗曲線，提出了損傷本構(gòu)模型，該損傷模型的各個方向的受力是相通的并 且能與單軸實驗結(jié)果恰好吻合，利用單軸實驗得到的模型不適用于三軸受力的情 況，僅僅可以區(qū)分受拉和受壓損傷，不能反映多個方向荷載作用下的損傷情況； 1987年，我國2鳳加驥，葛毅雄等人基于鄧肯-張模型，通過實驗分析提出了反 映瀝青混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系修正的雙曲線模型，并指出瀝青混凝土受載作用下 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并不與鄧肯-張模型是完全符合的，強度破壞也是不服從摩爾-庫侖 強度理論的；2005年，3Vassil

4、is P Panoskaltsis等人通過瀝青混凝土剪切加載條 件的實驗結(jié)果和偏張耦合作用特征，提出超彈性-粘塑形本構(gòu)模型，模型本身考慮 了骨料的各項異性對應(yīng)力不變量進行類修正，通過摩爾-庫侖剪切理論引入損傷變 量研究瀝青混凝土在受力過程產(chǎn)生的不可逆變形，建立了損傷性超彈性本構(gòu)關(guān)系; 基于瀝青混凝土動態(tài)試驗，我國姜錫權(quán)等人朱王唐本構(gòu)模型，他們認為應(yīng)力-應(yīng)變 關(guān)系曲線呈現(xiàn)非線性狀態(tài)是由于材料的內(nèi)部損傷導(dǎo)致的，并不是由于材料本身的 非線性彈性造成的，所以他們進一步提出了非線性彈性本構(gòu)模型。3瀝青混凝土本構(gòu)模型簡析瀝青混凝土作為現(xiàn)代道路路面結(jié)構(gòu)的主要材料之一，因其具有良好的力學(xué)性 質(zhì)和路用性能，被廣

5、泛應(yīng)用于各類道路路面。在現(xiàn)代公路運輸系統(tǒng)中，瀝青混凝 土的本構(gòu)關(guān)系模型的建立，有助于較好的描述應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。但是由于瀝青混凝 土材料組成的非均質(zhì)性、復(fù)雜性，本構(gòu)關(guān)系模型的選取對實驗結(jié)果影響很大。瀝 青混凝土內(nèi)部受載的關(guān)鍵點，在于其本構(gòu)關(guān)系精準與否。近年來，在計算機技術(shù) 和有限元技術(shù)迅猛發(fā)展的浪潮中，極大推動了瀝青混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的進一步 發(fā)展，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于尋找出真正反應(yīng)瀝青混凝土這一復(fù)雜工程材料工作 機理的本構(gòu)模型。所以，為了更好的獲得具有良好力學(xué)性質(zhì)、路用性能的工程材 料和材料性質(zhì)研究，提出一種能夠準確反映材料受力性質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系模型是學(xué)者 們致力解決的重中之重。4現(xiàn)有本構(gòu)模型的分

6、類目前本構(gòu)關(guān)系分類包括線彈性模型、非線彈性模型、塑性理論模型和其它力 學(xué)模型。描述材料的受力狀態(tài)的線彈性模型是最早用來進行瀝青混凝土結(jié)構(gòu)受力 分析的，但是隨著對瀝青混凝土了解的逐步深，這套理論對結(jié)構(gòu)受力分析出現(xiàn)了 一定的局限性。非線彈性模型是在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的，但是由于所依據(jù)的 數(shù)據(jù)量不是很大，所得出的結(jié)論并不適用于所有的受力狀態(tài)，也局限在普適性和 實用性的層面上。塑性力學(xué)理論是基于單軸實驗結(jié)果推至三維立體空間的，但是 究其形式、計算復(fù)雜，還有很多問題需要進一步解決。4.1線彈性模型線彈性模型作為迄今為止發(fā)展最成熟的瀝青混凝土材料的本構(gòu)模型，可以較 好地描述出混凝土受壓和受拉時的性能，也

7、同時適用于描述混凝土其他受力情況 的初始階段，這類模型運用到有限元分析中已經(jīng)有了很多成功的例子。此外，線 彈性本構(gòu)模型可以用于復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)的初步分析和近似計算和選用不同本構(gòu)模型 對其計算結(jié)果影響不大的情況。但是這種模型有自己的局限性，其僅僅可以適用 于初始受力狀態(tài)，描述應(yīng)力水平較低、塑性變形很小的瀝青混凝土，一旦預(yù)應(yīng)力 結(jié)構(gòu)或者受約束結(jié)構(gòu)開裂之后，這種本構(gòu)模型隨之失效?？傮w來說，線彈性本構(gòu) 模型在描述混凝土的結(jié)構(gòu)受力和計算精度有一定的限制。4.2非線彈性模型非線彈性模型是一種基于實驗數(shù)據(jù)回歸分析得出的，在單調(diào)比例加載情況下 有較高的精度，計算式和參數(shù)值簡明直觀，易于理解和應(yīng)用，目前在工程中一般

8、 情況均能適用，它能夠描述瀝青混凝土受力變形的主要特點。目前應(yīng)用較多的有 非線彈性全量式本構(gòu)模型來描述比例、單調(diào)加載情況，如Ottosen本構(gòu)模型；對 于正交各向異性非線性彈性材料，常采用增量式本構(gòu)模型，這種模型適用于按比 例一次加載的情況，如Darwin-Pecknold增量本構(gòu)模型。非線彈性本構(gòu)模型突出描 述了瀝青混凝土加載后非線性變化的特點，不能應(yīng)用于卸載、加卸載循環(huán)和非比 例加載等情況。4.3塑性理論模型塑性理論模型是基于塑性力學(xué)建立提出的，這種本構(gòu)模型描述了兩種情況： 當瀝青混凝土的受力不足以屈服時，材料的應(yīng)力和應(yīng)變成正比；當瀝青混凝土受 力屈服以后，材料的應(yīng)力不再改變，而應(yīng)變則繼續(xù)

9、增大。國內(nèi)外學(xué)者建立了很多 塑形理論本構(gòu)模型，如基于內(nèi)時理論的內(nèi)時理論模型，蘇聯(lián)學(xué)者卡恰諾夫基于損 傷力學(xué)建立的損傷力學(xué)模型和基于斷裂力學(xué)建立的塑性-斷裂模型，這些本構(gòu)模型 大多因其計算難度較大，并沒有廣泛應(yīng)用于工程實踐中。5瀝青混凝土本構(gòu)模型研究展望現(xiàn)今的瀝青混凝土本構(gòu)模型各自有各自的優(yōu)點，但同時各自又有各自的局限 性。因此，如何研究、發(fā)展瀝青混凝土的本構(gòu)關(guān)系，建立適用于不同工作環(huán)境、 不同應(yīng)力響應(yīng)狀態(tài)下的瀝青混凝土本構(gòu)關(guān)系顯得尤為重要。未來，隨著以下幾個 方面的發(fā)展，瀝青混凝土本構(gòu)關(guān)系模型理論的研究將會更加完善：有限元分析軟件和計算機技術(shù)的發(fā)展，為人們解決復(fù)雜龐大的問題和模擬 高度非線性問題提供了強有力的工具，同時為研究學(xué)者們完善瀝青混凝土本構(gòu)關(guān) 系模型展示了新的前景。新型的力學(xué)理論分支和交叉理論未來的發(fā)展，有利于人們更加充分了解瀝 青混凝土物理力學(xué)性質(zhì)，加深人們對瀝青混凝土應(yīng)力-應(yīng)變機理的認知層面。參考文獻：Duncan,J.M.,Chang,C.Y.,Nonlinear analysis o