文章编号：16742974(2014)06012007
收稿日期：20131029
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178112)
作者简介：金光来（1987-），男，安徽六安人，东南大学博士研究生
通讯联系人，E-mail:huangxm@seu.edu.cn
摘 要：为了深入研究沥青混合料在Ⅰ型和ⅠⅡ复合型模式下的断裂特性与机理，采用了扩展有限元方法对单边切口梁的断裂过程进行了数值模拟和分析.通过与试验数据的对比发现，扩展有限元方法可以有效地计算不同模式下裂缝扩展的路径以及断裂过程中的力学响应.进一步分析表明：小梁的断裂过程可以分为4个阶段；当加载点的荷载达到峰值时，小梁已经处于损伤累积阶段，荷载开始下降后，裂缝才逐渐形成；断裂过程可以理解为损伤带内拉应力下降、未损伤带内拉应力上升或者上升后再下降的过程，且损伤带长度不断增加；ⅠⅡ复合型断裂的临界偏移系数为0.45～0.51，与试验结果基本一致；当偏移系数为0.45时，跨中局部区域在加载过程中出现了“卸载”现象，导致损伤不再增加，抑制了次裂纹的产生.
关键词：沥青混合料；单边切口梁；ⅠⅡ复合型开裂；扩展有限元；断裂机理
中图分类号：U414 文献标识码：A
A Numerical Analysis of the Fracture Behavior of Asphalt
Concrete under Two Different Modes
JIN Guanglai，HUANG Xiaoming，LIANG Yanlong
(School of Transportation, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu 210096, China)
Abstract: In order to study the fracture behavior of asphalt concrete under pure modeⅠand mixedmodeⅠⅡ, an Extended Finite Element Method (XFEM) was employed to simulate the fracture process of singleedge notched beam specimen (SEB). Based on the comparison of numerical results and experimental records, it can be concluded that XFEM can serve as an efficient tool for the simulation of crack path and calculating mechanical response. Moreover, thefracture of SEB can be divided into four stages. The beam has already been under damageaccumulation stage when the load reaches the peak value and crack initiates after the peak load.Fracture behavior can be considered as a process in which tensile stress decreases in the damaged zone and increases in the undamaged zone. Meanwhile, the length of the damaged zone isincreasing. The critical offset coefficient obtained through numerical analysis is 0.45~0.51, whichshows good agreement with the test result. Unloading behavior occurs near the midspan sectionwhen offset coefficient is equal to 0.45, which inhibits the damage growth and the initiation ofsecondary cracks.
Key words:asphalt concrete; singleedge notched beam; mixedmodeⅠⅡcracking；extended finite element method；fracture mechanism
在沥青路面的使用过程中，沥青混合料的断裂问题已经成为影响路面结构性能和使用性能的重要因素，包括新建路面裂缝的产生、扩展以及旧路加铺结构已有裂缝的扩展2种形式.在车辆移动荷载的作用下，路面结构中的沥青混合料常受到拉应力、剪应力的综合作用，因此研究沥青混合料在多种开裂模式下的断裂特性具有十分重要的意义.
目前，对沥青混合料的断裂研究主要分为试验研究和数值研究2个方面，试验研究即采用小梁试件、劈裂试件、半圆弯拉试件等不同的结构形式\[1-3\]，对其加载直到破坏以获得破坏过程中的各类参数.其中，单边切口梁试件具有应力场明确、制备方便以及易于实现复合模式开裂等优点，并且可以测得断裂能，已经得到了越来越广泛的应用\[4-7\].但是，试验方法难以对断裂过程中的力学特性进行研究，重复性较差，试验结论也难以推广应用到其他结构形式中，往往需要与理论方法或数值方法结合以加深对沥青混合料断裂机理的理解.
数值研究采用数值方法模拟沥青混合料断裂过程，以获取开裂过程中试件力学响应的变化规律，随着研究方法的不断革新，已经从单纯的计算材料所受的应力应变场\[8\]发展到模拟开裂过程和裂缝扩展路径，最具有代表性的是内聚力模型(CZM)\[9-10\]和扩展有限元(XFEM)\[11-13\]的应用.内聚力模型需要预定义裂缝的扩展路径，难以对复合型开裂过程进行研究，而扩展有限元可以实现裂缝的自由扩展，且目前采用该方法所作的研究工作较少.因此，本文以单边切口梁试验数据为基础，采用扩展有限元方法研究沥青混合料在Ⅰ型模式和ⅠⅡ复合型模式下的断裂问题，通过对裂缝扩展路径的模拟以及断裂过程中力学响应的分析，验证该方法的有效性并阐明沥青混合料的断裂特性与机理.
1 扩展有限元模型的建立
扩展有限元法基于单位分解的思想，在节点的常规位移上增加了附加位移，附加位移反映了裂纹的存在而引起的位移间断性，通常用不连续函数(如跳跃函数)来模拟.利用扩展有限元方法，裂纹完全独立于有限元网格，可以从单元内部开裂，因此裂纹的扩展过程完全无需考虑其形状和走向，实现裂纹的全自动扩展.
