Ocena wpływu cyklicznego obciążenia na wytrzymałość statyczną mieszanek związanych cementem stosowanych w konstrukcjach nawierzchni drogowych

Karol Brzeziński

Abstract

The subject of the dissertation is evaluation of the cyclic loading influence on the static strength of the cement treated mixtures used in the construction of road pavements. Cyclic loading causes the internal changes in the structure and microstructure of the material, which manifests as fatigue when the phenomenological approach is applied. This phenomenon is usually described using the fatigue hypotheses, which allows to estimate the number of repeated load required to destroy the material. Nevertheless, it is strongly associated with the change of static strength. Evaluation of changes in static strength under cyclic load requires a different testing procedure than fatigue tests, but allows to obtain additional information about the nature of changes occurring in the material. The tests were preceded with the review and analysis of available Polish and foreign publications, mostly related to the fatigue life estimation and mechanistic design of road pavements. Moreover papers describing the effect of cyclic loading on the internal changes observed in case of various materials were analyzed. The dissertation presents the author's cumulative fatigue damage hypothesis, which paved the way to explore the relationship between cyclic loads and static strength of cement treated mixtures. The main part of the study focuses on the evaluation of the cyclic loading influence on the static strength of the cement treated mixtures. The low cycle loads were carried out (up to 2000 cycles). Thanks to the appropriate interpretation of the results of fatigue tests, it was possible to significantly extend the range of data for analysis. The reversal of a certain fatigue hypothesis, allowed to use the literature research results in order to calibrate the proposed model, which describes the phenomenon of changes in static strength under cyclic loading. The calibrated model allows to obtain the static strength of the mixture on the basis of the number of cycles and the level of the material effort. This model can be directly used as a stand-alone fatigue criterion. It can also be part of the cumulative fatigue damage hypothesis proposed earlier by the author of the thesis. The numerical analysis using Finite Element Method (FEM) was carried out as a part of the thesis. The aim of the analysis was to simulate the static strength test. The simulations take into account the structural changes that could potentially explain the observed phenomena. The summary of the thesis contains conclusions formulated based on the analytical, experimental and numerical results. Furthermore, the potential application of the obtained results and the directions of further research were indicated. The dissertation was supplemented by three annexes, containing detailed results of the research and significant portions of the FEM model source code, programmed in ABAQUS®. The last annex describes the work to be undertaken in the analysis fields of displacements and crack detection using digital image correlation, which could be a contribution to the further research.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Karol Brzeziński (WIL / IDM)
Karol Brzeziński
- Instytut Dróg i Mostów
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Inżynierii Lądowej (WIL)
Dyscyplina naukibudownictwo / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data rozpoczęcia17-06-2015
Data obrony05-07-2017
Data zakończenia 12-07-2017
Promotor Artur Zbiciak (WIL / IDM)
Artur Zbiciak
- Instytut Dróg i Mostów
Recenzenci zewnętrzni Mirosław Graczyk - Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Mirosław Graczyk
-

Piotr Mackiewicz - Zakład Dróg i Lotnisk (ZDL) [Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego (WBLiW)]
Piotr Mackiewicz
-
Paginacja 139
Słowa kluczowe w języku polskimnawierzchnie drogowe, trwałość zmęczeniowa, obciążenia cykliczne, mieszanki związane cementem, projektowanie mechanistyczno-empiryczne
Słowa kluczowe w języku angielskimroad pavements, fatigue life, cyclic loading, cement-bond mixtures, fatigue hypothesis, mechanistic-empirical design
Streszczenie w języku polskimPrzedmiotem rozprawy doktorskiej jest ocena wpływu cyklicznego obciążenia na wytrzymałość statyczną mieszanek związanych cementem stosowanych w konstrukcjach nawierzchni drogowych. Obciążenia cykliczne powodują przemiany wewnętrzne w strukturze i mikrostrukturze materiałów, co w sposób fenomenologiczny objawia się często jako zmęczenie materiału. Zjawisko to jest zwykle opisywane w świetle hipotez zmęczeniowych, co pozwala na oszacowanie liczby powtarzanych obciążeń potrzebnych do zniszczenia materiału. Nie mniej jednak, jest ono silnie związane ze zmianą wytrzymałości statycznej. Ocena zmiany wytrzymałości statycznej pod wpływem cyklicznego obciążenia wymaga innej procedury badawczej niż badania zmęczeniowe, jednak pozwala na uzyskanie dodatkowych informacji na temat charakteru przemian zachodzących w materiale. Badania zostały poprzedzone przeglądem i analizą dostępnych publikacji krajowych i zagranicznych związanych przede wszystkim z trwałością zmęczeniową i mechanistycznym projektowaniem nawierzchni drogowych, jak również prac opisujących wpływ obciążeń cyklicznych na przemiany zachodzące w różnych materiałach. W rozprawie przedstawiono autorską hipotezę kumulacji szkody zmęczeniowej, która stała się przyczynkiem do poszukiwania zależności pomiędzy obciążeniami cyklicznymi a wytrzymałością statyczną gruntów związanych cementem. Zasadnicza część badań skupiła się na ocenie wpływu cyklicznego obciążenia na wytrzymałość statyczną mieszanki związanej cementem. Wykonano obciążenia niskocyklowe (do 2000 cykli). Dzięki odpowiedniej interpretacji wyników badań zmęczeniowych, możliwe było znaczne rozszerzenie zakresu danych do analizy. Odwrócenie jednej z mało znanych hipotez zmęczeniowych umożliwiło wykorzystanie badań literaturowych do kalibracji zaproponowanego modelu opisującego zjawisko zmiany wytrzymałości statycznej pod wpływem obciążeń cyklicznych. Zastosowanie skalibrowanego modelu pozwoliło na uzależnienie wytrzymałości statycznej od liczby cykli i poziomu wytężenia materiału. Model taki może być bezpośrednio wykorzystany jako samodzielne kryterium zmęczeniowe. Może również stanowić część składową hipotezy kumulacji szkody zmęczeniowej zaproponowanej wcześniej przez autora niniejszej rozprawy. W ramach rozprawy doktorskiej przeprowadzono analizy numeryczne MES, których celem była symulacja badania wytrzymałościowego. Symulacje uwzględniały przemiany strukturalne, które potencjalnie mogą wyjaśniać obserwowane zjawiska. W podsumowaniu rozprawy sformułowano wnioski wynikające z uzyskanych wyników. Przedstawiono możliwości potencjalnego zastosowania osiągniętych rezultatów oraz wskazano kierunki dalszych badań. Pracę uzupełniono trzema załącznikami, w których zawarto szczegółowe wyniki przeprowadzonych badań oraz istotne fragmenty kodu źródłowego modelu MES, zbudowanego w programie ABAQUS®. W ostatnim załączniku opisano prace jakie zostały podjęte w zakresie analizy pól przemieszczeń i detekcji rys z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu, co może stanowić przyczynek do dalszych badań.
Plik pracy
Dissertation.pdf 7.99 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót