疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。本项目研究以沥青路面疲劳损伤开裂为研究对象，从疲劳开裂的随机性和损伤机理层面进行了多个方面的研究，主要完成了如下的研究工作：1）沥青混合料疲劳试验方法筛选及大样本疲劳试件与试验结果的随机性评价；2）基于数字散斑技术的疲劳裂纹扩展路径的随机性研究；3）基于细观尺度的CT与数值分析方法的疲劳损伤机理研究；4）沥青混合料疲劳失效机理与失效判据的研究；5）基于随机荷载状态下的沥青混合料的累积损伤规律研究；6）基于实验室-现场路面之间多随机性的沥青路面结构疲劳分析方法研究。基于上述研究，获得了如下的主要成果： 1）通过相同试验条件下的大样本重复性四点弯曲小梁疲劳试验测试与结果的随机性分析，验证了沥青混合料试件内部结构组成的非均匀性和随机性差异与相同条件下沥青混合料疲劳寿命巨大差异间的相关性。 2）应用数字散斑技术对沥青混凝土疲劳断裂过程区的试验观察及疲劳裂纹扩展规律与起裂应变的分析，发现疲劳开裂多发生于粗集料与沥青砂浆界面过渡区，该区域的强度对沥青混凝土的总体强度和耐久性有重要影响，并验证了疲劳裂缝的发展遵循能量较小原则。 3）通过对沥青混合料三相细观结构的有限元数值分析与模拟，验证了沥青混合料的疲劳是由众多微裂纹扩展成一条或几条主裂缝到最终开裂破裂的一个过程；单一测试试件加载方向的变化将获得完全不同的开裂路径和疲劳寿命。 4）采用统计断裂力学中的最弱链环模型，对沥青混凝土断裂破坏过程进行了概率分析，推导了沥青混凝土在某一应力作用下的断裂概率函数，并提出了疲劳失效判据具备的基本条件。 5）建立了基于可变步长的耗散能相对变化率突变点作为沥青混合料疲劳失效判据，以耗散能相对变化率经过稳定阶段后的突变点，即材料损伤程度急剧增大时作为沥青混合料的疲劳失效判据。 6）在多级荷载作用下，沥青混合料疲劳性能呈非线性的演变规律；沥青混合料在低-高加载模式的多级荷载下存在“锻炼效应”，而在低-高-低加载模式的多级荷载作用下则会出现“迟滞效应”。 7）综合726组四点弯曲疲劳有效试验数据，建立了沥青混合料疲劳开裂预估模型，利用国内外实际发生疲劳开裂的试验观测路面结构参数与交通轴载谱数据对模型进行了标定与验证。结合预估模型建立了基于损伤非线性累积的沥青层疲劳破坏评价体系。 2100433B

疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。世界各国设计规范主要依据经验方法决定沥青路面结构的组合与结构层厚度。近二十年来，以美国ASSHTO沥青路面设计指南（2004）为代表，先后发展了一些力学-经验方法进行沥青路面结构设计。但传统小样本疲劳试验和确定性疲劳累积损伤模型难以满足沥青路面的结构设计要求，更无法深入研究沥青路面结构在疲劳载荷作用下的可靠度问题。本课题拟针对沥青混合料及其路面结构特点，研究建立沥青路面随机疲劳累积损伤判定准则，预测随机载荷时间历程下沥青路面疲劳寿命的概率分布，对随机载荷历程作用下的疲劳寿命进行可靠性预测，为路面疲劳设计及可靠度分析提供基础研究支撑。本项目研究不仅具有重要的基础研究意义，同时对于提高我国高等级沥青路面建设技术水平、延长公路设施服务期限，维护公路资产安全等也具有重要的应用价值。

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。

目前，高强度钢材越来越多地运用在钢管结构中，而管节点作为钢管结构的重要传力部位，其受力性能备受关注。由于高强钢强度高，化学成分与普通强度钢材差别较大，使得高强钢管节点的受力性能成为亟待研究的问题，尤其是高强钢管节点疲劳性能的研究，成果非常匮乏，是一个比较新的领域。本项目采用Q460C高强钢，以T型管节点为研究对象，主要研究了高强钢管节点的疲劳性能以及基于连续损伤力学理论的管节点疲劳累积损伤过程的有限元分析方法。主要内容为通过对T型管节点的疲劳性能进行试验研究与理论分析，明确其疲劳破坏机理，了解其疲劳裂纹发展特征。并基于损伤力学理论和钢材疲劳损伤试验，建立了符合管节点疲劳损伤过程的损伤演化模型。在此基础上，对有限元软件ABAQUS进行了二次开发，完成了损伤力学-有限元方法对高强钢管节点疲劳累积损伤过程的全耦合模拟分析，为探索高强钢管节点的疲劳设计方法提供了试验储备和分析手段。通过试验研究和分析对比发现，随着主管厚度的增加，应力幅较小时试验疲劳寿命与规范计算寿命差异变得显著，并依据试验结果初步提出了适用于6mm到10mm壁厚的Q460C高强钢T型管节点的疲劳设计S-N曲线。 2100433B

注浆加固是地下工程结构事故处理与预防的主要手段，由于岩体工程的隐蔽性以及岩体内部裂隙、孔洞等缺陷分布的随机性，开展注浆加固后岩体的破坏机理研究，是一个具有挑战性的研究课题，关于周期荷载下的注浆加固体的力学性能及破坏机理研究尚无系统研究，其疲劳寿命及损伤演化模型尚未建立，本研究基于试验研究，以注浆加固后的岩石及类岩石材料为研究对象，通过抗弯及抗压静态加载和疲劳加载试验，揭示注浆加固后的破坏机理，并建立相应的疲劳寿命方程和损伤演化模型，本项目研究完成了: (1)探讨了树脂和水泥加固含裂隙红砂岩、大理岩、类岩石材料的压缩破坏机理，分析了注浆材料、裂纹类型、裂纹数量岩石类型等因素对应力重分布即开裂模式的影响规律；(2)揭示了树脂加固含裂隙岩石三点弯破坏机理，研究三种裂隙形式、注浆深度、增韧树脂对破坏模式的影响规律；(3)考虑应力比对疲劳寿命的影响，建立了压缩和三点弯疲劳双对数高频疲劳寿命方程，结果吻合较好，疲劳寿命存在应力水平的门槛值，当应力水平小于门槛值，不会发生疲劳破坏，当循环比n/Nf达到0.5时，裂隙面横向应变突然迅速增加达到了门槛值导致开裂，与试验中观测到的开裂现象一致。(4)应力水平是影响疲劳力学性能的主要因素，当应力水平较高时，试样的损伤破坏分为三个阶段，即，初始损伤加速阶段，裂纹稳定扩展阶段和裂纹不稳定加速扩展阶段。而当应力水平较低时，损伤破坏退化为二个阶段；(5)根据Logistic 模型，提出一种倒S型曲线模拟疲劳损伤演化曲线，实测数据与拟合曲线吻合较好。本项目的资助下，共发表论文9篇，申请专利2项，出国参加国际会议1次并作分组报告，培养硕士研究生2名，另外还有1名在读硕士研究生。本项目研究成果可为地下及其他岩土工程注浆加固后效果评价提供理论与试验依据，为岩土工程事故处理及设计方案提供基础数据，具有重要的科学意义和实用价值。 2100433B