（道路与铁道工程专业论文）基于表面裂缝的沥青路面疲劳断裂分析.pdf

硕士学位论文 摘要 路面沥青混合料不可避免地存在细微的缺陷或裂缝，重复作用的交通荷载可 以在这些裂缝尖端造成应力集中并以复杂的形式自上而下扩展，最终导致路面的 疲劳开裂破坏。本文应用断裂力学原理探讨沥青路面疲劳寿命的预测方法。 计算与分析表明：广义p a r i s 公式可以考虑沥青路面结构内材料复杂的裂缝 扩展；沥青面层的疲劳寿命随着面层厚度的增加以幂函数的形式增加，适当增加 沥青面层厚度可以提高路面的使用寿命；沥青面层的疲劳寿命随着面层材料模量 的降低以负指数的幂函数形式增加；由于材料模量的降低将牺牲路面的整体强度 并可能引起路面车辙类损坏，以此提高疲劳寿命的方法应慎重对待；沥青面层的 疲劳寿命随着基层材料模量的增加呈幂函数的形式增加，但由疲劳方程可以看出， 寿命并不是随基层材料模量的增加而无限的增加，疲劳曲线在经过一个上升段后， 逐渐趋于一个常数值，这说明，这时基层模量对寿命已不作关键性贡献；随着底 基层厚度的增加，面层的疲劳寿命近似地呈线性函数增加，但效果并不很明显。 现行沥青路面设计方法中，通常先拟订面层厚度，以基层或底基层作为设计层， 轴载次数的变化由基层或底基层的厚度调整。本文的计算表明，路面面层超过疲 劳寿命以后，面层完全破坏，可以导致整个结构的加速损坏。增加基层或底基层 厚度以增加设计累计轴载作用次数是有限度的。由此可知，对于表面裂缝的开展， 增加底基层厚度以增加路面的使用寿命的做法并不能得到明显的效果。这一点与 我国设计规范的设计理念有悖；本文结算结果显示：随负荷量的增加，沥青路面 的疲劳寿命呈指数形式下降，因此道路超载不容忽视。 关键词：道路工程；沥青路面；疲劳寿命；p a ris 公式； 基丁f 表面裂缝的高等级沥青路面疲劳断裂分析 a b s t r a c t t h e r ei n e v i t a b l ye x i s td e f e c t so rc r a c k si na s p h a l tm i x t u r ef o rp a v e m e n t r e p e a t e dt r a f f i cl o a d i n gm a yg a u s es t r e s s i n t e n s i f i c a t i o na tt h et i po ft h ec r a c k ， r e s u l t i n gi nc r a c kp r o p a g a t i o ni nac o m p l e xm o d ef r o mt h es u r f a c et ot h eb o t t o ma n d f i n a lf a i l u r eo ft h ep a v e m e n t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ef a t i g u el i f eo fa s p h a l t p a v e m e n tu s i n gp r i n c i p l e so ff r a c t u r e m e c h a n i c s r e s u l t so fa n a l y s i ss h o wt h a t g e n e r a l i z e dp a r i sl a wc a nc o n s i d e rt h ec o m p l e xc r a c kp r o p a g a t i o ni nt h em a t e r i a lo f t h ep a v e m e n ts t r u c t u r e t h ef a t i g u el i f eo ft h ep a v e m e n ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g t h i c k n e s so fs u r f a c el a y e ri nap o w e rf u n c t i o n u s eo fat h i c k e rs u r f a c el a y e rm a y e x t e n dt h es e r v i c el i r eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t t h ef a t i g u el i f ei n c r e a s e sw i t h d e c r e a s i n gm o d u l u so fs u r f a c el a y e ri nap o w e rf u n c t i o nw i t han e g a t i v ee x p o n e n t h o w e v e r ，s i n c er e d u c e dm o d u l u sw o u l ds c a r i f yt h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dm i g h t c a u s er u t t i n g r e l a t e dd i s t r e s s ，c a u t i o ns h o u l db et a k e nw h e nu s i n gl o wm o d u l u s m a t e r i a l sf o ri m p r o v i n gf a t i g u ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t s t h ef a t i g u el i f e i n c r 9 a s e sw i t hi n c r e a s i n gm o d u l u so fb a s em a t e r i a li nap o w e rf u n c t i o n h o w e v e r ，t h e f a t i g u el i f ec a nn o ti n f i n i t e l yi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gm o d u l u so ft h eb a s e w i t ha n a s c e n d i n gs e g m e n t ，t h ef a t i g u el i f ec u r v et e n d st oac o n s t a n t t h ef a t i g u el i f eo ft h e p a v e m e n ti n c r e a s e sn e a r l yl i n e a r l yw i t hi n c r e a s i n gt h i c k n e s so fs u b b a s ei nap o w e r f u n c t i o n i nt h ec u r r e n t l ym e t h o do fp a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g n ，t h et h i c k n e s so f s u r f a c el a y e ri st os o m ed e g r e ea r b i t r a r i l yd e t e r m i n e d ，a n dt h e nt h et h i c k n e s so fb a s e o rs u b b a c ei sa d j u s t e df o rt h ee q u i v a l e n ts i n g l ea x l el o a d sb yc a l c u l a t i o n a n a l y s i s r e s u l t so ft h i st h e s i ss h o wt h a tw h e nt h ef a t i g u el i r ei sr e a c h e d ，t h es u r f a c el a y e r w o u l dc o m p l e t e l yf a i l ，c a u s i n ga c c e l e r a t e dd a m a g eo ft h ee n t i r ep a v e m e n t t h e i n c r e a s ei nt h et h i c k n e s so fb a s eo rs u b b a e ec a nn o ti n f i n i t e l yi n c r e a s et h en u m b e ro f e q u i v a l e n ts i n g l ea x l el o a d s i na d d i t i o n ，r e s u l t so ft h i st h e s i ss h o wt h a tt h ef a t i g u e l i f es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n ga x l el o a do fv e h i c l ei nap o w e rf u n c t i o n w i t han e g a t i v ee x p o n e n t k e yw o r d s ：r o a de n g i n e e r i n g ；a s p h a l tp a v e m e n t ；f a t i g u el i f e ；p a r i sl a w ； 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 3 已 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名柏 日期：+ 年月日 日期：2 。心年月，妇 硕士学位论文 第1 章绪论 在2 0 0 4 年全国交通工作会议上的报告中，交通部部长张春贤强调，在工程建 设中要“把提高质量放在首要位置”。他说：“质量是工程建设的永恒主题，交 通作为向社会提供公共产品和公共服务的部门，在新的历史时期，我们应该向人 民、向国家交一份什么样的产品昵? 是经久耐用、外表美观、使用方便的优秀成 果，还是金玉其外、败絮其中的劣质产品? 这是关系交通行业形象，关系到交通 行业是不是一个负责任的大问题，质量是工程的生命，更是一个行业的生命。如 果几年后我国建成的几万公里高速公路没到大修年限就大面积翻修，我们今天所 为之奋斗的事业就可能被否定。我们修路架桥，实则在书写历史。一座优质工程， 万人称赞，千古流芳；一座劣质工程，同样也会在历史上留下不可挽回的败笔。 一条条公路，一座座桥梁，一道道隧道，看是冰冷的混凝土结构物，实则是人类 克服艰险，进步发展的文明标志。一定要以对国家、对人民、对历史负责的精神， 建优质工程，建精品工程。这是我们这代人，对人民、对后人做出的庄严承诺和 郑重交代【1 1 。” 沥青路面常见病害多而复杂，经过长期的实践、探索和研究，并髓着施工技 术的机械化程度的提高，沥青路面早期损害现象有所改善，但沥青路面开裂这一 病害仍未能根除，国内外对这一问题纷纷作为专题开展研究。其中道路表面裂缝 扩展近年来随着交通运输的发展，其对路面造成的损害同益突出，已经开始引起 国内外道路工作者越来越多的关注，对此运用多种方法进行研究，探讨其开展机 理，并取得了一定的成果。由于在美国对表面裂缝的研究越来越多，因此a a s h t o 第一次将表面裂缝也考虑到设计指南中1 1 。 1 1 研究的背景 沥青路面属柔性路面，是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层 和垫层所组成的路面结构。与水泥路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、 行车舒适、耐磨、震动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建 等优点，因而获得越来越广泛的应用。随着我国交通运输的发展，沥青路面必将 有更大的发展。 反射裂缝等沥青路面传统的损坏形式随着设计水平、旅工技术水平的提高正 逐年减少。但掉块、坑漕等由路面表面开裂发展而来的路表损坏依然频频出现。 在交通荷载作用下，表面裂缝的扩展造成路面损坏，近年来引起道路工作者越来 越多的关注。它是被认为继反射裂缝以后又一种可能导致沥青路面承载力丧失的 基丁表面裂缝的洳青路丽疲劳断裂分析 = ! = e 口自目目_ 。i r i e ! = ! ! ! ! = = = e = ! = ! ! = = = = 日自= = ! ! ! ! = = ! ! e = = ! ! ! ! = = = = t = ! 1 2 1 1 = ! = = t = = = e ! ! = ! = = = # ! ! = ! ! 新型的早期损坏问题，是伴随着我国臼益繁重的交通运输而产生的，国外对此种 破坏形式已有一定程度的研究，其成果已被纳入设计规范。但是一个国家有一个 国家的国情，其路面结构、荷载特性不尽相同，别国的结论不一定适用于我国的 情况。以往国内关于疲劳裂缝的研究多限于路面结构层底的弯拉疲劳，认为结构 的疲劳破坏缘自于层底的疲劳抗力不足，对表面裂缝的疲劳开展问题的研究涉及 还很少，对此还没有形成致的认识。 鉴于此，本文将运用疲劳断裂力学理论，通过大型有限元计算软件对路面结 构的疲劳特性进行探讨，详尽描述表面裂缝的开展机理，建立有限元模型，对面 层厚度、面层模量、基层模量、底基层厚度、超载与面层中存在的表面裂缝尖端 有效应力强度因子之间的内在联系进行较为详尽的讨论，并进行路面疲劳寿命对 各结构和交通参数的敏感性分析，以朔得出一些有用的结论，另外还将对我国现 行的路面设计规范作一些相关评论。鉴于我国蓬勃发展的公路建设事业，开展本 项研究具有重要的理论价值和实际意义。 1 1 1 我国公路现状 沥青混凝土路面的主要破损形态有：裂缝，主要有横向裂缝、纵向裂缝、 反射裂缝和网裂；变形，主要有沉陷、车辙、推挤；表面损坏，主要有泛油、 磨光；水损坏，主要有松散、坑洞、哪浆吼。其中裂缝是一种主要的破坏形态， 而表面裂缝又是裂缝中一种重要的开展形式。 改革开放以来2 0 年，是中国公路发展速度最快，规模最大，最具活力的时期。 自1 9 8 8 年沈大高速公路、沪嘉高速公路建成以来，中国的公路事业进入了以建设 高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。自1 9 9 8 年以来，中国已经连续 4 年每年将超过2 0 0 0 亿元的投资用于公路建设，2 0 0 2 年达到3 2 1 1 7 3 亿元。高速 公路总里程，1 9 8 9 年全国仅为2 7 l k m ，到1 9 9 9 年突破1 万公早，到2 0 0 2 年突破 2 万公里，2 0 0 3 年已经突破3 万公里，现在在建的还有1 6 万公里，到2 0 0 5 年， 我国高速公路通车总里程可能超过5 万公里【i 】。我国高速公路建设事业用短短十 多年的时间走完了发达国家半个多世纪的发展历程。 在我国已建成的高速公路沥青路面中，大多数路面使用状况良好，但同时也 应该认识到，由于我国高速公路的建设起步较晚、技术力量的储备较少、经济基 础较差，以及中国的车辆超载严重、气候和交通荷载条件恶劣等原因，铺筑的高 速公路结构还存在种种问题，一些路段的建设水平并不尽人意，甚至通车前几年 就出现开裂、坑槽等早期破坏现象，不得不进行大规模维修。如广佛高速公路由 于严重超载，一个车道累计标准轴载作用次数已接近甚至超过设计标准轴载累计 次数。路面破损严重，路面裂缝率达15 7 7 m 2 k i n 2 ，综合破损率达2 0 3 3 1 ：广深 高速公路广州段在交付使用后两个冬季就出现裂缝；北京机场路在第三个冬季就 硕士学位论文 有些裂缝表面宽2 m m ；沈大高速公路沈鞍段典型路段裂缝率为5 0 m ( 1 0 0 0 m 2 路 面上的裂缝累计长度，下同) ；上海沪嘉高速公路裂缝平均间距9 8 m 、缝宽 2 - 1 0 m m ；德宏州4 条半刚性基层沥青路面同样不同程度的出现了裂缝，其中国 道3 2 0 芒瑞段尤为突出，最严重地段的裂缝平均间距仅为2 0 m i 钔，这其中有相当 一部分是属于表面裂缝。图1 1 为某高速公路出现的不规则裂缝；图1 2 为路面 网裂及在网裂处出现坑洞示意图。图片上白色为唧出的浆。 图1 1 某高速公路出现的纵横向裂缝 图1 2 路面网裂及在网裂处出现坑洞示意图 1 1 2 路面表层裂缝的形式和原因 沥青路面路表开裂的形式和原因是多种多样的。裂缝的形式从表观上一般可 分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种类型。影响开裂轻重程度的主要原因有 沥青和沥青混合料的性质、基层及底基层材料的性质和状况、气候条件、交通状 况以及设计旌工的因素等。正在修订的2 0 0 2 版的a a s h t o 设计指南指出，路表 开裂一般自上而下开展，究其原因可以认为是温度和荷载综合作用的结果：路表 温度下降造成路表产生较大温度梯度，从而使得沥青混合料模量内也产生较大梯 度，在荷载作用下路表产生较大剪应力；路表沥青老化，沥青层模量较高，在荷 载作用下路表产生较高剪应力【1 】，过大的剪应力容易造成路面剪切开裂；过大的 温度应力使路表开裂或周而复始的升温和降温使路表发生温度疲劳开裂。因此， 就沥青路面表层开裂的主要原因而论，可分为两大类，即荷载型因素和非荷载型 因素。 3 基于表面裂缝的沥青路面疲劳断裂分析 i 荷载型因素 对于表面裂缝来说，荷载型裂缝主要指剪切型裂缝。由于行车荷载作用而在 道路表面层中产生过大的剪应力，使路面发生剪切开裂。这种裂缝一开始往往是 路表纵向开裂】，随后逐渐发展为网状的裂缝。 根据交通行业的统计，我国公路运输业呈现突飞猛进的态势，公路客、货运 输量已分别占总运输量的9 1 8 和7 5 3 。为了保证道路的预期使用寿命，我国 道路车辆允许最大轴重：单轴为1 0 0 k n ，双轴为18 0 k n 。其他各国也都规定了车 辆的轴重限值，目前世界上车辆单轴重般限制在8 0 k n 1 3 0 k n ，如英国、德国、 日本、巴西、荷兰等国限重1 0 0 k n ，法国、西班牙、伊朗等少数国家采用1 3 0 k n 限值：双联轴一般限制在1 5 0 k n 2 1 0 k n ，英国、德国、瑞典、芬兰、奥地利、捷 克等采用1 6 0 k n ，荷兰、瑞士、阿根廷、前南斯拉夫等国采用1 8 0 k n 限值，日本、 朝鲜采用2 0 0 k n 限值车辆总重量多限制在2 8 0 k n 5 0 0 k n ，瑞士采用2 8 0 k n ，英国、 德国、法国、西班牙等国采用3 8 0 k n 限重，丹麦采用4 4 0 k n 限重 5 1 。 但是在高速公路使用初期，我国对超重车辆并未能进行有效的控制，中交第 一公路勘察设计院曾在山西境内晋焦线及其相接的河南境内焦新线进行过轴载调 查，这是一条运煤干线，经过对车辆箱体和钢板改造，双轴和单轴最大荷载可分 别达5 0 0 k n 和2 5 0 k n ，极大的加剧了沥青路面破坏的产生【3 】。根据西安公路交通 大学对河南焦作境内郑一常、洛一常、新一济等线的交通调查，年平均日交通量 高达8 0 0 0 1 0 0 0 0 辆，行驶主要车辆为：东风e q 一1 4 0 、新解放、黄河1 1 7 5 、罗曼、 斯太尔、卡玛斯、拉巴、红岩等车辆，几条路上超载现象普遍且严重，单轴超过 1 0 0 k n 的车比俪超过2 4 3 4 ，还有近1 的单轴超过2 0 0 k n ，超载近一倍，超过 2 0 0 k n 的双轴比例约为8 8 5 ，最大双轴超重5 0 0 k n t 5 】。湖南大学李嘉等人在1 9 9 9 年对湖南省境内1 0 7 国道耒宜段于1 9 9 9 年8 月对过往车辆进行了为期1 6 天的调 查统计，获得了大量的第一手资料。调查结果表明，最大超载达额定荷载的 3 0 0 “。长沙交通学院在1 0 7 国道郴州市附近路段采用国际先进的加拿大产w i m 动态称重仪调查发现后轴重在1 1 0 k n 以上的车辆占整个交通量的3 0 以上，而轴 重大于1 3 0 k n 的比例大于2 0 ，多数货车超载系数达o 7 1 0 ，甚至达到1 2 - 1 8 【7 1 。 目前公路交通的另一个特点是，公路交通流的组成中，重载交通占了很大的比例， 湖南大学李嘉等人的调查结果表明车辆轴重1 0 0 k n 以上的重型货车占整个交通量 的6 3 o ，其中1 0 0 k n 以上的车辆占4 5 6 ，重车超载率一般在7 0 2 0 0 之间 ( 超载率= 超载量额定荷载量) ；王仓选等的调查瓷料显示，车辆总重z 0 0 k n 以 上的重型货车占整个交通量的7 5 。如此多的车辆超过设计标准轴载( 路面设计 以双轮组单轴载1 0 0 k n 为标准轴载，用b z z 1 0 0 表示) ，使道路不堪重负，因此 造成高速公路损坏严重。公路运输的车流量大、行驶速度快、超载、重型车辆多 是造成高速公路使用品质降低，出现开裂等早期破坏的重要因素。近年来，由于 硕士学位论文 交通部颁布了禁止车辆超载运输的相关法令，交通运输管理部门加大了对车辆超 载的限制管理力度，车辆超载问题得到一定的缓解，但是国家经济和交通运输业 的蓬勃发展与公路运输能力的矛盾不能只由一道限制法规解决，我国公路超载现 象依然严峻。超载运输不仅容易诱发严重交通事故，而且对高速公路路表开裂具 有超常的催化作用。 超负荷的交通荷载在路面表层中产生超负荷的剪拉应力。另外，我国的高等 级公路的主要形式是半刚性基层路面，超负荷的交通量在路面中产生的剪应力会 比国外柔性基层沥青路面中的剪应力大。有关研究表明，基层模量越大，面层内 的剪应力也就越大。 荷载的重复作用造成了混合料的剪切疲劳，过大的剪切应力将造成路面自上 面下的破坏，而不是自下而上的破坏【2 】。 2 非荷载型因素 沥青路面开裂不仅受到荷载的影响，同时，环境因素特别是温度的影响也不 容忽视。沥青面层的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝呈现为横向裂缝， 同时也有大块状裂缝和纵向裂缝。它同样表现为表面开裂。 中国地处世界最大的亚欧大陆板块的东部，东部是世界上最大的太平洋海面， 北靠最冷的西伯利亚和北极，西部有世界上最高的青藏高原和帕米尔高原、喜马 拉雅山、昆仑山脉，因此是季风气候最典型、最强烈的大陆。冬季，北极和西伯 利亚的冷空气长驱直入我国，气候受蒙古高压所支配，又受到青藏高原和山地的 阻碍，使大气在北方积聚，从而使冬季变得非常寒冷；夏季，海洋季风达到最盛， 青藏高原的强烈辐射形成高压，太平洋暖流北上，受到高地的阻挡，一方面形成 夏季暴雨集中，另一方面又受到季风影响使气温普遍升高。因此我国广大地区与 世界同纬度地区相比，夏季炎热、冬季寒冷、年温差大的特点非常显著，这一点 给沥青路面带来了极大的影响。蒙古高原和西伯利亚东部是冬季强冷空气发源地， 在晚秋初冬季节，强大的冷空气迅速而下，形成寒流( 4 8 小时内超过i o6 c ) ，甚 至形成寒潮( 4 8 小时内超过1 44 c ) ，个别地区可超过1 8 。c ，这样的寒潮大部分年 份都有一次或者两次，尤其是寒潮大风天气导致路面沥青混合料急剧收缩，这就 是造成路面开裂的直接原因。产生低温裂缝的沥青混凝土层，春天气温回升时裂 缝弥合，到了冬季，沥青混凝土层再次收缩，若基层摩擦力小，在实际收缩时， 裂缝变宽，若基层摩擦力大，沥青混凝土不会收缩，新的裂缝就会产生，裂缝数 量就会增加，这是温度疲劳循环所造成的，除了温度疲劳做年循环以外，温度的 日循环、短时间的循环，冷热交替也使路面出现温度疲劳裂缝。由冬季气温骤降 及反复升温降温引起沥青路面的温缩裂缝和温度疲劳裂缝，在我国的东北、华北 和西北处处可见j 。 温度裂缝通常垂直于路线方向，裂缝间距变化在数米至1 0 0 米之间。当路面 5 基于表面裂缝的沥青路面疲劳断裂分析 宽度大于裂缝间距时，还将产生纵向温度裂缝，从而形成块状裂缝。 此外，沥青混合料作为非均匀性的材料，在铺筑初期，由于设计、施工、养 护、管理各方面的因素，在面层内不可避免地存在初始损伤和微裂缝。 综上所述，沥青路面从交付使用起就承受着温度、荷载等因素的作用，加之 建造初期的一些人为因素，路面表层内不可避免地存在有裂缝。之后周而复始的 交通荷载在这些裂缝尖端处造成应力集中，促使裂缝进一步扩展，直到裂缝贯穿 整个面层，使路面丧失使用功能。 1 1 _ 3 开裂带来的后果 道路表面开裂以后，重复的交通荷载在这些由各种因素产生的裂缝尖端处产 生应力集中，造成疲劳开裂。其危害在于，一方面破坏了结构的整体性和连续性， 影响了路面的使用品质和路面美观，另一方面有效应力强度因子在低于断裂韧度 的情况下促使裂缝进一步开展，直到面层裂穿。面层一旦裂穿，外界的水可以不 断的由裂缝处渗入并积存于基层顶面。由于半刚性基层是一个致密材料层，水不 可能由基层下渗排走，在交通荷载作用下，积存于面层和基层的水就在强大的水 压力下对基层顶面进行冲刷，促使面层基层脱离，转为不连续。另外，水比油更 容易浸润基层，即使没有交通荷载的作用，水也能进入面基界面，置换出沥青而 与基层结合，使层间脱离。面基层一旦由连续状态变为不连续状态，沥青面层底 面的拉应力，顶面的剪应力就会大幅增长，路面破坏的速度加剧，继而很快出现 大面积的网裂、推挤、松散、坑洞、唧浆等大变形破坏。 1 2 国内外研究的现状及文献综述 路面疲劳特性的研究方法可分为现象学法、力学法。 应用传统的现象学法进行疲劳试验的方法有很多，归纳起来可以分为四类。 第一类是实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验，如美国的a a s h o 试 验路，历时3 年才完成。第二类是足尺路面结构在模拟行车荷载作用下的试验研 究，如南非的重型车辆模拟车( h v s ) 、澳大利亚的加速加载设备( a l f ) 、美国 华盛顿日立大学的室外大型环道和重庆公路科学研究所的室内大型环道疲劳试 验。第三类是试板试验法。第四类是室内小型沥青混合料试件的疲劳试验研究。 由于前三种试验研究方法耗资大、周期长，开展得并不普遍，因此大量采用的还 是周期短、费用少的室内外小型疲劳试验，包括脉冲压头式、轮胎加压式、动轮 轮迹式和动板轮迹式，其中动轮轮迹式是采用车辙试验机来了解混凝土块体的疲 劳特性引。 虽然传统的疲劳强度理论承认了由于荷载循环作用而对材料造成的损伤积 累，但相关的分析是针对连续完整的结构体系进行的，并没有考虑材料、结构内 硕士学位论文 部先天存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这 使得运用传统的疲劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实 际情况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但是设计结果仍带有 较大程度的不确定性【9 j 。按照后来发展的断裂力学及疲劳断裂力学，也就是力学 法的观点，结构的破坏正是由于其内部存在的缺陷引起的应力集中与内部损伤， 当这种应力集中与损伤积累超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部 缺陷的发展，并导致结构的破坏。 断裂力学与疲劳断裂力学在工程上的应用与发展引起或即将引起有关结构设 计的革命性变革，包括其中的设计理念、计算方法、设计和验算指标等方面。 基于结构内部存在裂缝之类缺陷的断裂力学理论与方法在沥青路面工程中的 应用，大约开始于2 0 世纪6 0 年代末，7 0 年代初，迄今为止，依次经历了线弹性 断裂力学、疲劳断裂力学与粘弹性断裂力学等几类断裂力学理论与方法的应用发 展阶段。 关于沥青路面的断裂分析及抗裂设计，国内外已经开展了大量的研究工作， 早期的研究，大多基于经验公式或传统的层状结构力学计算方法。由于计算模型 上显而易见的缺陷，这些方法都难以预估沥青路面疲劳开裂寿命。事实上国外早 已广泛采用基于断裂力学的疲劳寿命预估方法。目前，关于沥青路面结构开裂研 究主要集中在应用疲劳断裂力学理论与方法。 由于沥青路面结构始终处在交通荷载的循环作用下，其破坏主要体现为疲劳 破坏特征，因此，应主要研究沥青路面内裂缝的疲劳扩展规律。现在，人们已经 公认，沥青路面结构的疲劳破坏可以分为两个阶段，即传统的无缺陷的疲劳起裂 阶段及其后考虑裂缝的疲劳断裂阶段。关于前者，人们已经做了大量的疲劳破坏 试验与结构分析，积累了相当多的经验，其所得成果至今仍在沥青路面结构设计 方法中沿用。关于后者，主要围绕疲劳断裂规律展开研究。其中牵涉到材料疲劳 断裂规律的数学模型的建立及其描述，模型参数的测试与确定，沥青路面结构疲 劳断裂分析与结构简化模型的建立及相关计算方法，以及各类影响因素及其对模 型与计算方法的影响修正等。 为了研究沥青混合料及沥青路面的疲劳断裂规律，人们采用了不同的试验方 法( 有直接拉伸试验、间接拉伸试验、四点弯拉试验、三点弯拉试验、半圆试件 弯拉试验) 测试沥青混合料疲劳断裂性能，并进行了不同模拟交通荷载、温度荷 载或两者共同作用的沥青路面模型的疲劳断裂试验，积累了不少数据。 关于沥青混合料和沥青路面疲劳断裂破坏过程的描述，根据理论分析结果和 疲劳断裂试验数据，人们提出沥青路面结构的使用寿命预测方法。有的采用应力 和应变或荷载等力学参量，用他们与循环加载次数的回归关系作为相应的疲劳方 程1 1 0 1 。但人们普遍采用基于应力强度因子的经验性总结的p a r i s 公式，见式 - 7 - 基丁- 表面裂缝的沥青路面疲劳断裂分析 ( 1 1 ) ，描述沥青路面疲劳裂缝扩展的过程，并以此计算疲劳裂缝的扩展寿命 9 1 。 d a d n = 爿( 腹) ” ( 1 1 ) 式中：出d n 裂缝随荷载循环次数的扩展速率： a k 荷载循环过程中裂缝应力强度因子的变化值； a 、”材料参数。 由于沥青材料具有较强的温度敏感性，具有热粘弹性材料特征，研究发现， 用s c h a p e r y 理论研究沥青混合料及其结构的疲劳裂缝扩展过程比较准确。这一理 论仍沿用p a r i s 公式，但只是利用沥青材料的粘弹材料特性预测p a r i s 公式中a 、n 两个材料参数值。后来，人们在此基础上，经过采用不同的试验方法针对不同的 沥青混合料开展疲劳断裂试验，提出了s c h a p e r y 理论中计算疲劳断裂参数的修正 公式。随着试验研究工作的积累，人们后来发现，在交通荷载的作用下，沥青路 面结构内裂缝扩展的形式复杂，一般为复合型裂缝【9 】，用p a r i s 公式这种基于张开 型裂缝疲劳试验获得的规律性认识模型与实际情况存在偏差，主要体现在模型中 描述疲劳裂缝扩展速率的公式所包含的项数及其相关模型参数上。r o s i e r 等人通 过三点弯拉试验研究提出 9 1 ，在交通荷载作用下，沥青路面结构内裂缝扩展的形 式复杂，除张开型还有剪切型，表现为复合型裂缝，而不是某一类型裂缝应力强 度因子单独作用的结果。沥青路面最危险的开裂方式并不是许多理论认为的疲劳 裂缝总是按张开型模式扩展的。裂纹的疲劳开裂应为i 型与i i 型并存的复合型开 裂，并且由复合型开裂条件下获得的p a r i s 公式中疲劳断裂参数与单纯的i 型开裂 试验获得的沥青混合料的疲劳断裂参数不一致。因此r o s i e r 等人提出了广义p a r i s 公式。 在国内，人们对于裂缝的开展规律也做了一定的研究。易志坚从断裂力学角 度对水泥混凝土面层与基层接触面的破坏过程进行了分析：罗睿，黄晓明等应用 权函数推导了层间完全连续路面表层裂缝的应力强度因子的计算方法 1 2 】；郑健龙 等 1 3 】将基层中含有贯穿裂缝的路面体简化为二维问题，以应力强度因子作为表征 参量，探讨了车辆荷载对称作用和非对称作用下基层和面层之间加入软弱层对反 射裂缝的防止效果，得出软弱层可以防止基层中的裂缝向上反射的结论。基于沥 青路面未通车前就出现的初始裂缝现象，吴赣昌分析了温度场对路面体的影响， 通过积分变换和广义解析函数边值理论获得温度场作用下含裂缝路面体的解析解 1 4 - 1 6 】，并探讨了路面材料和结构的优化设计；彭妙娟等【1 7 j 从西三线实际工程出发， 针对基层中含有贯穿裂缝的路面层状体模型，考虑车辆荷载和温度应力的作用进 行了三维有限元断裂力学分析；郑健龙，周志刚等利用断裂力学原理进行了“热粘 弹性断裂力学在沥青路面反射裂缝扩展机理研究中的应用”、“织物加固土作用机 理研究及其在路面的工程应用”、“热粘弹性断裂力学在沥青路面疲劳寿命预估中 硕士学位论文 的研究”、“沥青路面低温抗裂设计指标及计算方法研究”，获得了丰富而宝贵的研 究成果。“七五”期间，为了迎接我国即将兴起的高等级公路建设高潮，国家组织 开展了有关沥青路面的重点科技攻关项目“高等级半刚性基层沥青路面结构设计 和抗滑表层的研究”( 编号7 5 2 4 0 l 0 1 ) 。为了了解交通荷载和温度荷载作用 下半刚性基层裂缝扩展规律以及阻裂措施机理，长沙交通学院利用线弹性断裂力 学理论与方法，结合光弹模型试验，进行了较为系统的研究。后来，继续开展了 相关的研究工作，取得了一系列的研究成果1 8 埘】。主要结论如下： ( 1 ) 对于交通荷载的作用，大量常用沥青路面结构开裂主要取决于剪应力集 中作用，属于剪切型开裂。而对于温度荷载，如果降温梯度较大，或降温速度较 快，在沥青面层顶面产生的温度应力较大，有时比交通荷载大几倍，容易导致沥 青面层表面开裂。此时，一般表现为横向开裂。 ( 2 ) 对于开裂的半刚性基层沥青路面，当沥青面层较厚( 厚度大于1 2 m m ) 时，面层降温时最大的温度应力发生在面层表面，易发生对应裂缝。当沥青面层 较薄对，一般表现为发射裂缝。 ( 3 ) 关于裂缝的防治，沥青面层较厚时，主要选用优质沥青和配置抗裂性能 好的沥青面层混合料。沥青面层较薄时，除选用优质沥青外，还应采取一些防裂 措施，如在面层和半刚性基层之间设置土工织物或做一层弹性模量低、抗拉性能 好的橡胶沥青应力吸收膜，也可在面层和开裂半刚性基层之间铺设级配碎石中间 层，但其厚度不小于l o c m 。 ( 4 ) 粒料过渡层、橡胶沥青、土工布、玻璃纤维隔栅等夹层材料在防止反射 裂缝时所发挥的力学效应主要包括：软弱夹层作用( 应力吸收薄膜) 、桥联作用、 嵌锁咬合作用。此外，土工布还可起到隔离作用，防止路表开裂后路表水的下渗。 ( 5 ) 各种夹层体系防裂措施的阻裂效果与其层间接触状态、夹层材料的模量 等存在很大关系，在选择土工织物、隔栅等不同类型夹层材料时，应研究其力学 指标能够保证其加筋或应力吸收薄膜效果的发挥。 综上所述，利用疲劳断裂力学方法分析沥青路面疲劳开裂，可以获得有价值 韵结论2 9 。0 1 ，用于指导工程实际或有助于沥青加铺层设计公式的提出【3 1 1 。 但是由于沥青混合料性质的复杂性，至今关于沥青混合料及沥青路面疲劳断 裂的研究仍在进行中，欲提出成熟的抗裂设计方法尚存在较大的差距。 1 3 有限元方法 通过理论、试验及数值分析手段研究裂缝扩展机理及其实际应用，迄今为止 仍方兴未艾，大多数实际工程结构的裂纹稳定扩展预测目前仍以经验性公式为主， 例如j 公式、阻力曲线法等，而有限元方法则为这些方法提供了有效的数值分析 验证手段。交通荷载下，裂缝扩展呈复杂形式扩展，用解析法不能有效分析裂缝 9 一 硕士学位论文 _ - _ _ 目- $ = _ ! e = 衄i i i i _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ ，= 目e | = = = o = = = = = = = = = = = = = = = = ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! j 一 的研究“、“沥青路面低温抗裂设计指标及计算方法研究”获得了丰富而宝贵的研 究成果。“七五”期间，为了迎接我国即将兴起的高等级公路建设高潮，国家组织 开展了有关沥青路面的重点科技攻关项目“高等级半刚性基层沥青路面结构设计 和抗滑表层的研究”( 编号7 5 2 4 一o l 0 1 ) 。为了了解交通荷载和温度荷载作用 下半刚性基层裂缝扩展规律以及阻裂措施机理，长沙交通学院利用线弹性断裂力 学理论与方法，结合光弹模型试验，进行了较为系统的研究。后来，继续开展了 相关的研究工作，取得了一系列的研究成果i ”。1 ”“】。主要结论如下： ( 1 ) 对于交通荷载的作i i = i j ，大量常用沥青路面结构开裂主要取决于剪应力集 中作用，属于剪切型开裂。而对于温度荷载，如果降温梯度较大，或降温速度较 快在沥青面层项面产生的温度应力较大，有时比交通荷载大几倍，容易导致沥 青面层表面开裂。此时，一般表现为横向开裂。 ( 2 ) 对于开裂的半刚性基层沥青路面，当沥青面层较厚( 厚度大于1 2 r a m ) 时，面层降温时最大的温度应力发生在面层表面，易发生对应裂缝。当沥青而层 较薄时，一般表现为发射裂缝。 ( 3 ) 关于裂缝的蒴治，沥青面层较厚时，主要选用优质沥青和配置抗裂性能 血的沥青面层混合料。沥青两层较薄时，除选用优质沥青外，还应采取一些防裂 措施，如在面层和半刚性基层之间设置土工织物或做层弹性模量低、抗拉性能 好的橡胶沥青应力吸收膜也可存面层和开裂半刚性基层之间铺设级配碎石中问 层，但其厚度不小于l o o m 。 ( 4 ) 粒料过渡层、橡胶沥青、土工布、玻璃纤维隔栅等夹层材料在防止反射 裂缝时所发挥的力学效应主要包括：软弱夹层作用( 应力吸收薄膜) 、桥联作用、 嵌锁咬合作用。此外，土工布还可起到隔离作用，防止路表开裂后路表水的下渗。 ( 5 ) 各种夹层体系防裂措施的阻裂效果与其层间接触状态、夹层材料的模量 等存在很大关系，在选择土工织物、隔栅等不同类型夹层材料时，应研究其力学 指标能够保证其加筋或应力吸收薄膜效果的发挥。 综上所述，利用疲劳断裂力学方法分析沥青路面疲劳开裂，可以获得有价值 的结论1 2 9 ”】，用于指导工程实际或有助于沥青加铺层设计公式的提出【3 ”。 但是由于沥青混合料性质舶复杂性，至今关于沥青混台料及沥青路面疲劳断 裂的研究仍在进行中，欲提出成熟的抗裂设计方法尚存在较大的差距。 t 3 有限元方法 通过理论、试验及数值分析手段研究裂缝扩展机理及其实际应用，迄今为止 仍方兴未艾，人多数实际工程结构的裂纹稳定扩展预测目前仍以经验性公式为主， 例如j 公式、阻力曲线法等，而有限元方法则为这些方法提供了有效的数值分析 验证于段。交通荷载下，裂缝扩展呈复杂形式扩展，用解析法不能有效分析裂缝 验证手段。交通荷载下，裂缝扩展呈复杂形式扩展，用解析法不能有效分析裂缝 9 基于表面裂缝的沥青路面疲劳断裂分析 开展机理，有限元数值分析方法的出现为路面的结构分析提供了强有力的工具， 它可以分析裂缝的产生、发展、传播等一系列情形。 应用有限元进行裂纹稳定扩展研究多年来一直是个热门课题，早期研究大多 限于小范围屈服及裂纹小量扩展。8 0 年代中期，由美国n r c 赞助，b a t t l e l l e s c o l u m b u s 试验室牵头组织了国际性管道断裂问题有限元合作研究，由该实验室提 供试样尺寸及试验数据，由国际上五所著名研究机构各自进行试样大范围裂纹扩 展的有限元模拟研究，目的之一是对现有的各种有限元模拟分析方法本身作出评 估，并由此推动此方面的工作进一步向前发展。由于采用裂缝扩展模拟方法和扩 展理论不尽相同，分析结果并不一致，充分表明了裂纹大范围扩展的有限元研究 具有相当吸引力。在道路工程界，t i e l k i n g ，r o b e r t s 等 3 2 1 最先用有限元方法分析 了轮胎的接地压力，他把由层状材料构成轮胎简化旋转壳体，用f o u r i e r 变换求解 结构的集合大变形问题，通过这个有限元模型，可以计算出在给定的轮载和胎压 下，接地压力的非均布形式。 研究系统的复杂发展过程是现代化计算力学的主要特征之一，例如在固体力 学中的材料大变形的损伤起始和演化问题，负荷材料等新型材料中的裂纹传播问 题，柜变过程中的边晃移动问题等，都要经历一个很长的过程，而在此变形过程 中，有可能随机性的出现新的裂纹，损伤甚至出现新的材料相等。目前已有的各 种相应的本构理论来描述这些现象，却给数值计算和模拟带来新的问题。有限元 方法仍然是有希望解决这些问题的强有力的工具。现在的有限元计算与过去相比 已经发生了很大变化，在过去，有限元分析的目的往往是为了得到一个满意的最 终值，根据极端环境的改善和实际问题的客观要求，有限元分析正在转向整个结 构和一个发展过程的全程分析，这种由一点一时的状态计算到整个空间和时间上 的全程模拟是有限元的一个重大发展和应用。 1 4 本文研究的内容 本文以疲劳断裂力学理论为基础，从理论分析着手，主要对设计要素：如面 层厚度、面层模量、基层模量、底基层厚度、超载对面层中存在的裂缝尖端有效 应力强度因子的影响进行了较为详尽描述，讨论了表面裂缝开展机理，并进行路 面疲劳寿命对各结构和交通参数的敏感性分析，得出了一些有用的信息，为改进 设计方法提供参考。 在调查、收集、整理国内外相关资料，充分了解国内外研究现状的基础上， 本文将对如下几方面内容进行探讨： ( 1 ) 通过对我国公路建设现状和交通运输中存在的问题进行调查、整理，揭 示了半刚性沥青路面的表面裂缝的开展原因和机理； ( 2 ) 建立有限元计算模型，以各结构参数、交通参数作为交量，计算了各种 1 n 硕十学位论文 情况下的有效应力强度因子。并对各个参数变量下，裂缝开裂、传播趋势进行了 讨论； ( 3 ) 在计算出有效应力强度因子的基础上，对各个参数下的路面进行寿命预 估。分析疲劳寿命对各个参数的敏感性； ( 4 ) 通过以上的一些工作，本文提出了一些建设性意见，以作后续研究的参 考。 1 5 研究的可行性及意义 对路面结构进行疲劳分析一直以来是道路