（道路与铁道工程专业论文）沥青路面水损害疲劳破坏过程的数值模拟分析.pdf

摘要 沥青路面结构内部的孔隙水在高速行车荷载的作用下造成的瞬时超孔隙水 压力，是造成路面水损害的重要原因。由孔隙水压产生的附加应力，使孔隙加大， 贯通形成宏观裂纹并逐渐扩展，加速了沥青路面的破坏。 针对沥青路面水损害问题，本文系统地介绍了国内外研究者在这方面所做 的研究工作，同时对沥青路面水损害产生的原因及过程进行了详细分析，并在此 基础上提出了一系列沥青路面的水损害防治措施。 鉴于目前有关交通荷载作用下路基路面层状弹性体系超孔隙水压力与疲劳 损伤方面的综合分析，国内外还鲜有涉及。因此本文首次以比奥渗流固结理论和 各向同性线弹性损伤理论及疲劳损伤理论为基础，提出沥青路面的水损害力学分 析模型，运用轴对称有限元方法对力学模型进行求解，并编制有限元程序进行数 值模拟分析。文章重点分析了孔隙水压力对沥青路面受力状态的影响，以及在有 孔隙水存在的情况下沥青路面在车载作用下的疲劳损伤过程。 计算结果表明，沥青面层内的孔隙水压力与面层的渗透系数、面层厚度、 结构层材料参数以及车辆行驶速度等有密切关系。当路表孔隙饱水时，在荷载 作用下，孔隙水的存在会导致路面结构应力集中加剧，在荷载的反复作用之下， 导致疲劳开裂破坏，加速路表病害的出现。 关键词：沥青路面水损害孔隙水压力疲劳损伤有限元法 a b s t r a c t t h ei n s t a n t a n e o u ss u p e rp o r ew a t e rp r e s s u r ep r o d u c e db yt h ep o r ew a t e ro ft h e i n n e rs t r u c t u r eo f a s p h a l tp a v e m e n t , u n d e rt h ea c t i o no ft h e1 1 i 曲s p e e dw h e e ll o a d ，i s a l li m p o r t a n tr e a s o nt h a tr e s u l t si nw a t e rd a m a g eo ft h ep a v e m e n t a d d i t i o n a ls t e s s p r o d u c e db yp o r ew a t e rp r e s s u r e ，m a k et h ep o r ee n l a r g e m e n t , m a k ep o r eb e c o m e l a r g ea n df o r mt h em a c r o s c o p i cc m c kw h i c he x p a n d sg r a d u a l l y , a c c e l e r a t i n gt h e b r e a k a g eo f t h ea s p h a l tp a y m e n t a i m j n ga tt h ep r o b l e mo fw a t e rb r e a k a g eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t , t h i sp a p e r s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf o rd o m gt h i sw o r k s ， s i m u l t a n e i t ya n a l y s e st h er e a s o na n dp r o c e s s e so fw a t e rd a m a g eo ft h er o a ds u r f a c ei n d e t a i l ，a n dp u t sf o r w a r das e r i e so f m e a s u r e st op r e v e n ti t o w i n gt ot h a tt h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lh a v ed o n el i t t l ea b o u ts y n t h e t i c a la n a l y s i so fs u p e rp o r ew a t e r p r e s s u r ea n df a t i g u ed a m a g eo ft h es u b g r o u n da n dp a v e m e n tl a y e rf l e x i b l es y s t e m u n d e rt h ea c t i o no f t r a f f i cl o a d s ot h i sp a p e rf i r s tp u t sf o r w a r dt h em e c h a n i c sa n a l y s i s m o d e lo fw a t e rd a m a g eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t , w h i c hi sb a s e do nb l o tc o n c r e t i o n s e e p a g et h e o r ya n di s o t r o p yl i n e a re l a s t i cd a m a g et h e o r ya n df a t i g u ed a m a g et h e o r y , u s ea x i ss y m m e t r yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e ma n dp r o d u c eaf i n i t e e l e m e n tp r o g r a mt os i m u l a t ei tn u r n e r c a l l y ，i kp a p e re m p h a t i c a l l ya n a l y z e st h e i n f l u e n c ew h i c hp o r ew a t e rp r e s s u r et a k et oa s p h a l tp a v e m e n tu n d e rs t r e s sa n dt h e f a t i g u ed a m a g ep r o c e s su n d e rt h ee x i s t i n go ft h ep o r ew a t e ra n du n d e rt h ea c t i o no f t r a f f i c1 0 a d c a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e ，p o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h ei n n e ra s p h a l tp a v e m e n t n e a r l yh a sc l o s er e l a t i v et op e r m e a t ec o e f f i c i e n to fs u r f a c e ，t h i c k n e s so fs u r f a c e ， m a t e r i a lp a r a m e t e ra n dw h e e ls p e e de t c w h e nt h ep o r eo fp a v e m e n ti sf u l lo fw a t e r ， u n d e rt h ea c t i o no fl o a d ，t h ee x i s t e n c eo ft h ep o r ew a t e rc a nc a b s et h a ts t r e s s c o n c e n t r a t i o np r i c k su p u n d e rt h ei t e m t i v ef u n c t i o no fl o a d ，i tc a t i , 跎st h ep a v e m e n t f a t i g u ec r a c k i n g ，a n da c c e l e r a t e st h ea p p e a r i n go fb r e a k a g eo f p a v e m e n t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；m o i s t u r ed a m a g e ；p o r ew a t e rp r e s s u r e ；f a t i g u ed a m a g e ； f e m u 长沙理工大学 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：偿描嚼 日期：2 0 0 s 年岁月形日 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。本人授权长沙理工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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 5 年朔膨日 ， 日期：2 0 0 5 年r 月日 1 1 概述 第一章绪论 近年来我国高速公路得到了飞速发展，截止到2 0 0 4 年，我国的公路总里程达 1 8 5 多万公里，位居世界第四，其中高速公路总里程达3 4 万公里，仅次于美国， 位居第二。由于沥青路面具有无接缝、低噪音、易维修等优点，可保证大量汽车 能高速、舒适、安全地通行，因此在已建成的高速公路中有9 0 以上采用的是沥青 混凝土路面。尽管这些沥青路面都是按照规范进行设计施工的，但在建成通车后 不久，短的几个月，长的2 3 年，就出现了水损害破坏。沥青路面的这种早期水 损害已成为我国高速公路沥青路面最严重的病害之一。 所谓水损害泛指沥青路面在水或冻融循环作用下，由于汽车车轮动态荷载的 作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用， 水分逐渐渗入沥青一集料的界面上，使沥青的粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青 膜从石料表面脱落( 剥离) ，沥青混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、 推挤变形等损坏现象。 沥青路面早期水损害在我国具有普遍性。早期人们普遍认为沥青路面的早期 水损害只发生在多雨炎热的南方，如今在东北地区如吉林、辽宁等地也出现了沥 青路面早期的水损害现象，这使人们对沥青路面早期水损害有了新的认识，即无 论在南方还是北方都会出现沥青路面早期水损害。此外据资料表明，在我国己建 成并使用一年以上的高速公路中，无论是采用半刚性路面还是刚性路面，无论是 对酸性石料还是碱性石料，无论是采用重交通石油沥青还是采用改性沥青和加抗 剥落剂的s m a ，都出现了不同程度的早期水损害现象。 由于沥青路面早期水损害来得比较快，对高速公路的服务水平产生较大的影 响；而且直接间接经济损失巨大，社会影响严重，因此系统研究沥青路面早期水 损害原因及防治措施有着重大的经济和社会意义。 1 2 水损害的表现形式 降水进入沥青面层后，根据水的滞留位置，在大量高速行驶车辆作用下，可 能产生以下几种不同的水损坏现象： 1 唧浆 水透过沥青面层( 两层或三层式) 并滞留在半刚性基层的顶面，在大量快速 行车作用下自由水产生很大压力，成为动水。在动水的冲刷作用下，基层表面的 粉质部分如水泥，石狄、粉煤灰及土质变成为稀浆，在荷载的作用下稀浆通过路面 的各种缝隙被挤出至路表，即产生唧浆破坏。这种破坏现象是水损害最为明显的 标志，通常发生在雨后或雪融后，且基层采用二次类、水泥类半川性基层上。唧浆 几乎在每条高速公路都有发生，在南方潮湿多雨地区尤为突出。 图1 。l 白浆自细横缝中唧出图1 2 白浆从多个进水小通道中唧出 2 形变和网裂 滞留在表面层和中面层的水，在大量行车荷载的作用下，使得这两层中部分 碎石上的沥青剥落。石料上的沥青一旦剥落，在荷载的作用下表面层就会产生形 变和网裂。 3 松散 存留在面层的水分浸入至u 沥青与集料的界面，由于水的剥离作用使褥沥青和 集料之间的粘结力和粘附作用下降甚至完全丧失，导致强度急剧下降甚至完全丧 失，混合料中的碎石成松散状。 4 坑洞 沥青混凝土一旦松散，在大量的快速行车荷载作用下松散的石料被车轮甩出 或被雨水带走，就会产生坑洞。而且坑洞一旦产生，很快就从小坑洞发展成大的 坑槽。 图1 3 沥青混凝土面层的坑洞 图1 4网裂面积内产生坑洞 5 辙槽 自由水浸入沥青面层后，使沥青和集料的粘聚力和粘附性减弱，在行车荷载 的作用下，藕集料碎石表面裹附的沥青膜逐渐剥落，使沥青混凝土的强度逐渐丧 2 失，直至完全松散。在行车轮迹下不但产生压缩形变，而且产生剪切形变，轮下 松散的沥青混凝土挤向两侧( 主要是外侧) ，使轮迹下陷，两侧拥起，形成辙糟。 这种破坏现象主要发生在行车道上。 图1 5轮迹带的辙槽 6 冻融循环破坏 对冰冻地区或季节性冰冻地区，还会发生由于路面结构层内水的冻融循环导 致的水损害现象。由于水结冰时体积增大，在沥青混合料内部会产生很大的膨胀 力，致使混合料内部粘结力下降：而当其融化时，又滞留于路面层内，在行车荷 载作用下加速沥青膜的剥落。在路表，冰雪融水进入沥青混合料内部，在行车荷 载和冻融循环的反复作用f 产生破坏。而在下面层，当基础有较多的细粒土和孔 隙时，冬季特有的毛细水导致水分逐渐积聚在基层顶面，春融期过饱和的水进入 下面层孔隙，在荷载反复作用下产生剥落现象和基顶冲刷。 以上的早期水损害现象有时是单独出现的，但大多数是组合出现的。比如产 生唧浆的地方通常会出现网裂和形变，并随着时间的推移很快会出现松散和坑洞。 1 3 国内外研究概况 沥青路面水损害是一个世界性的问题。早在2 0 世纪6 0 年代，美国沥青研究 所( t h ea s p h a l ti n s t i t u t e ) 出版的沥青路面结构排水就明确指出，导致路 面早期损坏的首要外部因素为水。 此后，美国全美公路合作研究计划( n c h r p ) 、美国公路规划和研究计划( h p r ) 、美国战略公路研究计划( s h r p ) 和联邦公路局，加拿大运输协会( t r a n s p o r t a t i o n a s s o c i a t i o no fc a n a d a ) 、美国s h r p 路面长期使用性能研究专家组( l t p pe x p e r t g r o u p ) 都对沥青路面水损害问题进行过专题研究，取得了大量应用性成果。 我国的高速公路起步较晚，对沥青路面的早期水损害问题研究的也比较少。 但随着我国高速公路的飞速发展，对沥青路面的水损害问题也越来越重视。 综合来看，国内外研究者对于水损害的研究主要包括以下几个方面： 沥青路面水损害产生的作用机理： 通过对材料的改进和完善来提高沥青混合料本身的性能，如使用聚合物改性沥 青结合料，采用良好的级配和石料、添加抗剥落剂等； 沥青混合料的抗水损害性能的评价方法与评价指标； 从结构上来防治，主要是让水不浸入结构层，如采用良好的排水系统； 通过预防性养护措施来减缓水损害的进一步发展。 1 3 1 沥青路面水损害产生和破坏机理的研究 1 - 3 1 1 粘附理论 从材料的角度出发，沥青混合料水损害的实质是水进入混合料置换了石料表 面的沥青薄膜，致使沥青与石料的粘附力丧失、沥青剥落。因此沥青路面水损害 的作用机理可以用粘附理论来分析，它包括了：力学理论；化学反应理论： 表面能理论；分子定向理论。 以上四种理论从不同的角度对沥青与矿料的粘附机理进行了解释，但由于沥 青与矿料之间的粘附极为复杂，因此每一种理论都不能完全概括说明其机理，只 有综合应用才相得益彰。 交通部公路科研所的沈金安就认为造成沥青路面早期水损害破坏的原因非常 复杂，主要有沥青混合料的空隙率过大、路面渗水、排水设施不完善、压实不足、 沥青混合料抗水害不足及厚度偏薄等n ，。 交通部公路研究所的沙庆林院士对半刚性基层沥青路面的早期水破坏进行了 较为系统的研究。他在对我国多条高速公路的水损害调查的基础上，归纳了水损 害现象，并对半刚性路面产生水损害的内因和外因进行了分析“1 。 1 3 1 2 对孔隙水压力的研究 从力学角度来看，沥青路面结构内部的孔隙水在高速行车荷载的作用下造成 瞬时的超孔隙水压力，是造成路面水损害的重要原因。由于路面是层状结构，层 间结合处易于出现空隙，进入孔隙内的自由水在行车荷载下，会成为高孔隙水压 力和高流速的水流，冲刷层面材料并从缝隙处向外喷射出带冲刷材料的泥浆，促 使沥青面层出现剥落和松散，从而使整个路面结构的使用性能迅速变坏。 有研究表明，沥青路面的孔隙率在8 以下时，沥青面层中的水以薄膜水的状 态存在，在荷载作用下一般不会产生动水压力，不容易造成水损害破坏。对于孔 隙率大于1 5 的排水性混合料路面，因水能够在孔隙中自由流动并迅速排走，故也 不容易造成水损害破坏。但是当路面实际孔隙率在8 1 5 的范围内时，一方面水 容易进入面层内部，另一方面水又不易迅速排除且又难以蒸发，因此水能较长时 间滞留在路面内，当在荷载作用下时会产生较大的孔隙水压力并成为动水力，从 而造成沥青混合料的水损害破坏。1 。 为掌握超孔隙水压力的相关资料，以便进一步进行路面水损坏的结构受力分 析计算，同济大学对沥青路面的孔隙水压力进行了测试“1 。测试结构表明，层问结 合处的超孔隙水压力比路表面大，说明了沥青路面的水损坏很多是从下面层破坏 开始的。同济大学的凌建明等还依据弹性层状体系理论计算了行车荷载作用下路 基顶面及路基土中的竖向应力，采用室内动三轴试验模拟了行车荷载作用下路基 土的残余应变特性和孔隙水压力变化规律，提出孔压模型，得到了孔隙水压力随 加载次数的变化曲线“1 。 哈尔滨工业大学的张伟等采用有限元法求解b i o t 固结方程，研究轴对称状态 下土基土体中的孔隙水压力，提出了初始孔隙水压力增量的确定方法，获得了孔 压的分布及消散规律，得到了孔隙水压力消散的全过程曲线“1 。 哈尔滨工业大学的彭永恒等利用积分变换和传递矩阵的方法推导了动荷载作 用下路基路面层状弹性体超孔隙水压力轴对称问题的解析解。并用l a p l a c e 逆变 换的数值方法，对层状弹性体的超孔隙水压力进行了分析与研究。通过计算结果 得知，由于水的影响，使得路基路面结构内部产生了附加的超孔隙水压力，比没 有水影响的路基路面结构更容易产生破坏”1 。 华南理工大学交通学院的王端宜等认为水分进入沥青路面结构层内削弱了沥 青与石料间的粘结力，在汽车荷载的作用下很快导致破坏。其在分析了沥青混合 料空隙率对水敏感的影响及空隙率和渗透之间的关系后提出了用吸水率指标来评 价沥青混合料的设计空隙率和水敏感性，并用数字图像技术加轮迹试验预测沥青 路面的水损害及其程度8 3 。 长沙交通学院的罗志刚首次从微观角度尝试性地提出了沥青路面的水损害模 型，并在运用有限元方法对模型进行求解的基础上，重点分析了沥青路面在饱水 状态下其内部孔隙水压力的变化规律以及孔隙水压力对沥青路面受力状态的影 响。分析结果表明，沥青面层内的孔隙水压力与面层的孔隙率、孔隙大小、孔隙 位置、所承受荷载的大小以及结构组合、材料参数等有密切关系。同时孔隙水的 存在，致使路面在荷载作用下其内部孔隙边缘顶部及底部出现拉应力集中，且拉 应力较无水状态时大得多。1 。 华中科技大学的李之达等人通过对超孔隙水压的分析和疲劳试验研究，探讨 了孔隙水对路面结构的破坏形式和疲劳寿命的影响。研究表明，在车载作用下将 产生较高的孔隙水压力，对沥青面层形成冲刷，最终可能导致各种路面水损害； 超孔隙水压改变沥青混凝上的破坏形式：在无水状态下疲劳败坏的形式为劈裂状， 而在有水状态疲劳破坏的形式则主要表现为剪切破坏，有水状态的抗疲劳强度较 无水状态的抗疲劳强度低；经回归分析，得到了沥青混凝上在有水状态和无水状 态下的抗疲劳寿命估计方程，与实验有很好的吻合，证实了沥青路面在车载下的 超孔隙水压是引起早期水损害的重要因素。1 。 1 3 2 提高材料水稳性的研究 1 3 2 1 抗剥落剂的研究 目前抗剥落剂处理沥青混合料一般有两种方法：1 ) 在沥青与集料混合之前， 先用液体化学抗剥落剂( 多为胺脂酸类) 对沥青进行处理，但抗剥落剂进入至沥青 和集料界面之间的速度很慢。1 1 。；2 ) 另一种是直接先用抗剥落剂处理集料表面“。 常用的抗剥落剂的种类一般有三种：1 ) 波兰特水泥( 一般不用于沥青混合料) ； 2 ) 液体化学类“；3 ) 化学石灰( 主要是熟石灰) 。3 “1 。在日本规范沥青路面要纲 “”中规定一般采用消石灰作为抗剥落的外加剂。在美国，掺加消石灰粉是抗剥离 的基本方法。1 9 9 2 年美国国家沥青路面协会( n a p a ) 曾出版了一本关于沥青混合料 水稳定性的专著”。 另外有研究表明，高百分率的水泥窑灰可以达到消石灰同样的抗剥落效果。 对于妥尔油焦油沥青，据英国哥伦比亚交通运输部的研究，它能够成为液体抗剥 落剂的一种替代品。7 。 1 3 2 2 集料性质的研究 在对集料的性质研究方面，有研究指出，根据集料的表面能和集料给予水的 p h 值可以预测其抗剥落性能。并且表面能与p h 值越高，越容易剥落“4 。为此， 要提高沥青与集料的粘附性能，应优先选择表面干净、粗糙，质地干燥呈碱性的 集料。s h r p 在其研究中则明确指出，对于水损剥落，矿料表面的天然化学性质比 沥青粘结料的性质更具影响力。在这个基础上将可能提出一种新的粘附理论。“。 1t 3 2 3 沥青混合料离析的研究 由沥青混合料的离析而引起的路面局部压实不均和水损害问题是相当严重 的。这个问题已引起了普遍重视，美国设在奥本大学的美国国家沥青技术中心 ( n e a t ) 正在开展国家联合公路研究项目n c t t r p ( n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a y r e s e a r c hp r o g r a m ) 9 - 1 1 “热拌沥青混合料的离析”课题的研究。研究表明，任何 离析面积沥青混凝土的密度比邻接非离析面积沥青混凝土的密度低0 0 6 4 0 ，0 8 0 9 c m 3 ，前者混合料的性质将显著降低，应该将其挖除并重铺。 对于温度离析问题，美国s t e v er e a d 在研究华盛顿州沥青路面的周期性离析 问题的原因和可能的解决方案时，首次提出：周期性离析问题与从沥青混凝土拌 和厂将混合料运送到铺筑现场过程中沥青混合料的温度差别有关。同时，r e a d 还 研究了不同传输设备，以确定它们对温度差别破坏的影响。 华盛顿州同样研究了集料离析，但离析面积与无离析面积相比，前者2 3 6 m m 以上的粗集料含量没有超过8 1 5 的。相反，其级配很接近均匀面上的级配。但 是，密度和孔隙率都超过了n c a t 研究中的建议值。1 。 1 3 3 评价沥青混凝土水稳定性的试验方法研究 2 0 世纪7 0 年代，洛特曼率先采用了冻融循环的方式来加速模拟自然条件下的 水损坏进程。到了8 0 年代，t u n n i c l i f f 、k a n d h a l 等人在采用洛特曼试验方法评价 路面水损坏的研究中，发现该方法中冻融循环的次数似乎过于苛刻，致使试验结 果与实际条件下的路面相关性不好，因此对冻融循环条件进行了修改，在此基础 上产生了塔内克里弗和鲁特试验方法和改进的洛特曼试验方法。9 0 年代初，美国 s h r p 研究计划又建立了一种能够更好地模拟野外现场条件的新方法一一环境条 件系统e c s 。虽然e c s 凭借先进的设备能够对自然环境进行更准确的模拟，但是 其一经问世就立刻受到广泛的质疑，至今仍被束之高阁。欧洲习惯于采用浸水轮 辙试验来评价沥青混合料的水稳定性，其中最著名的当数汉堡轮辙试验( h a m b u r g w h e e l t r a c k i n gt e s t ) 。 在“八五”期间我国对沥青混合料水稳定性指标进行了比较系统的研究。长 沙交通学院“2 1 通过大量沥青混合料水稳定性试验，对规范推荐的试验方法之优劣 进行了更细致的探讨。同济大学”则针对传统沥青混合料水稳定性评价方法的缺 陷，提出了一种能评价混合料在整个使用过程中水稳定性能的试验方法，著在试 验基础上评价了抗剥落剂对沥青混合料初、长期水稳定性的影响。 在九十年代初交通部重庆公路研究所的贾渝较为详细地介绍了美国常用的九 种沥青混合料水损害试验方法，并分析了各个试验方法适用范围、优缺点及与沥 青混合料实际使用性能的关联程度。经比较后认为a a s h t ot 一2 8 3 和a s t m d 4 8 6 7 与路面现场性能有较好地相关关系，值得我国借鉴”“。 1 3 4 排水结构层的研究 1 9 6 0 年德国首次采用了大孑l 隙排水型路面。1 9 6 4 年，美国a a s h t 0 试验路研 究表明，路面结构内存在自由水时，每一次重复轴载产生的结构损坏比路面相对 干燥时要高出4 0 倍以上。 美国在1 9 7 3 年由联邦公路局制定了路面结构内部排水系统设计指南，以引导 和推动公路部门采用路面内部排水系统。到1 9 8 6 年，美国又进一步在路面结构设 计方法中( a a s h t 0 路面结构设计指南) 把路面结构的排水质量( 以排除渗入路面结 构内水分所需的时间和1 年内路面结构处于水饱和状态的时间比例为指标) ，作为 一项设计因素考虑入内。 1 9 8 9 年，m g h a g e n 等在美国的明尼苏达州修建了设置4 种路面排水设施共 长1 8 2 4 m 的试验路段，并在1 9 9 0 1 9 9 4 年期间进行了表面水的渗入及排放量检测 试验。试验结果表明，设置路面排水系统是非常必要的，这可以使积滞在路面及 结构内的水迅速排除到路基和路面结构外，有利于改善路面的使用性能。据美国 加利福尼亚州运输局的保守预测，设有内部排水设施的路面每年能节省1 1 0 0 万美 元以上的费用。 我国在排水结构层方面的研究也有一定的成果：同济大学在大量试验的基础 上，通过对透水材料的孔隙率与渗透系数、孔隙率与强度、结合料含量与渗透系 数等诸多关系的试验结果分析，提出了满足排水基层使用性能要求的多孔隙水泥 碎石和多孔隙沥青碎石混合料组成，并研制了两种测试多孔隙排水混合料渗透系 数的渗透仪。东南大学结合锡澄高速公路璜塘试验路在沥青路面的水渗透特性和 排水基层的排水性能方面做了大量试验，指出对于所含细料无塑性的处治碎石， 其渗透系数主要取决于粒径分配与密实度( 空隙率) ”“。长沙交通学院结合临长高 速公路路面结构排水设计，对水泥碎石排水混合料的组成设计方法进行了深入研 究。北京逸群工程咨询有限公司结合京丌高速公路路面工程和北京市s 、 a 道路的 渗水检测，提出了s m a 路面渗水系数的建议控制范围值”3 。 1 4 目前存在的问题 从国内外的研究概况来看，对水损害的认识、研究基本上都是沿两大方向去 开展工作的：一方面是如何除病害之源防水、排水，另一方面是如何增强沥 青和集料的粘结性能以达到改善沥青路面水稳定性的目的。这些工作基本上都是 以试验为基础的，都只是对水损害机理定性化的分析。虽然科研人员提出了不少 理论，如机械粘附理论、表面能理论、极性理论等来解释沥青与集料的剥离现象， 但都不一而足，沥青路面发生水损害的影响因素繁多，任何一个因素都可能导致 水损害的发生，水损害的机理至今仍不明了。对沥青路面水损害机理的认识，只 是停留在一个描述表象的阶段。 从前面的分析中，我们可以看到，国内外研究者们已经意识到进入到沥青路 面的自然水，在车辆交变荷载的作用下产生的超孔隙水压是一个不可忽视的因素， 它不仅对沥青面层产生冲刷作用，还将产生一个附加应力，使孔隙加大，贯通形 成宏观裂纹并逐渐扩展，加速面层的破坏。但究竟多大的孔隙水压力会造成路面 结构的破坏，还是没有一个定量的概念。在它的作用之下，是如何改变沥青路面的 破坏形式? 所有存在的这些问题表明，有必要建立沥青路面的水损害力学模型， 对其在饱水状态下的疲劳破坏过程展开深入研究。而日前有关交通荷载作用下路 基路面层状弹性体系超孔隙水压力与疲劳损伤方面的综合分析，国内外还鲜有涉 及。因此本文研究的在交通荷载作用下沥青路面结构产生的超孔隙水压力及疲劳 损伤综合分析，不仅有一定的理论价值，而且也有一定的实际意义。 1 5 本文研究的内容和技术路线 根据以上存在的问题，本文进行了如下几个方面的工作： ( 1 ) 建立力学模型 根据比奥固结渗流理论以及疲劳损伤力学原理建立力学分析模型：整个沥青 路面看成是单圆垂直均布荷载作用下的均质弹性层状连续体系；路面结构中每层 的孔隙认为是均匀分布的，路面结构处于饱水状态；损伤变量d 采用k a c h a n o v 的 经典定义，直接采用各向同性线弹性损伤本构方程，选用合适的疲劳损伤演化方 程。 ( 2 ) 确定比较方案，选取合适的计算参数 根据选定的比较方案，选取合适的计算参数。主要包括结构层组成，结构层 厚度，各结构层材料参数( 弹性模量，泊松比) ，各结构层渗透系数以及疲劳损伤 特性参数等。 ( 3 ) 编制基于渗流理论和疲劳损伤力学的非线性有限元程序，对沥青路面在 孔隙水压力和交通荷载作用下的破坏过程进行数值模拟，计算得出力学模型在损 伤前和损伤后的位移、应力、孔隙水压力以及损伤值。 ( 4 ) 对路面结构内部孔隙水压力进行分析，得出孔隙水压力的渗流变化规律。 ( 5 ) 探讨在孔隙水存在的前提下，路面结构在交通荷载作用下其内部各应力 场、损伤场等随疲劳过程的变化规律，对沥青路面的疲劳寿命进行预估。 ( 6 ) 总结得出孔隙水压力对沥青路面的水损害机理。 9 第二章沥青路面水损害过程有限元分析方法 2 1 渗流一损伤力学理论 2 1 1 渗流理论 对于沥青路面的水损害，首先需要了解的是沥青路面结构在荷载作用下孔隙 水压力的大小如何，介质中各点的位移和应力又有多大。而对于由外荷载引起的 介质中的位移、应力和孔隙水压力等这类问题，多年以来，国内外研究者都用比 奥固结渗流理论来进行分析，并就此做了大量卓有成效的工作。因此，本文以比 奥固结渗流理论作为基本理论来进行渗流分析。 比奥固结渗流理论的基本方程为： 一g v 2 嵋一面g 旦 盟+ 百a w y + 盟1 + o u o x o x o z o x = 。 1 1 2 vi却j g v z w ，g - 旦f 丝+ 堕+ 盟1 + 宴：o 1 2 vo y lo x o y o zj 砂 一g v z g 旦f 盟+ o w , + 盟 + 一o u ：， 1 2 vo z lo x却 o zjo z ( 2 1 ) 一旦f 盟+ 堕+ 竺1 + 一k v 。：o ( 2 2 ) 一一l 二+ 二+ 二i + “= uz z ， o t lo x砂 o zj 凡 式中，v 2 为拉普拉斯算子，v 2 = 等+ 导+ 鲁o z 。功f 0 v 一 。 比奥固结渗流理论最先是用来解决土体的渗流及排水问题，它是以土体微元 作为研究对象，来建立分析模型。而本文研究的对象是沥青混凝土路面，在一般 的情况下，都将其作为连续介质来进行研究的。如要采用比奥固结渗流理论，则 要将其看作是多孔介质。加之研究对象的材料性质有所区别，譬如说沥青混凝土 的孔隙率及材料的整体强度都要大于土体，所以本文在分析问题时，根据实际情 况建立适合分析沥青混凝土路面水损害问题的渗流模型。 作出如下假定： 1 ) 除渗透性外，沥青混凝土是均质的，完全饱和的理想弹性材料； 2 ) 沥青混凝土的变形是微小的； 3 ) 沥青混凝土和孔隙水均不可压缩，即只有变形，而无体积变化； 4 ) 孔隙水渗流服从达西定律，渗透系数为常数，即不随时间、空间变化，且 水流的惯性力不计。 因此，可以将行车荷载下的沥青路面看成为单圆垂直均布荷载作用下的均质、 各向同性、层问完全连续接触的线性弹性层状轴对称体系。研究对象是处于饱水 状态的新建沥青混凝土路面，即路面孔隙都处于饱水状态，而不考虑存在不饱和 孔隙的情况。假定沥青路面各层均匀压实，各部分平均孔隙率相等，不存在某个 局部孔隙率过大的情况，所以可不考虑孔隙的实际分布状态，将路面各层的孔隙 率视为均匀分布。仅考虑小变形情形，不考虑路面逐步压实、孔隙变小的过程。 同时也不考虑孔隙水的冻融循环影响，即不考虑温度变化导致的孔隙水压力的变 化。 本文没有考虑路面结构存在非饱和孔隙等一系列情况，因此由以上模型计算 所的结果应该足偏于不利情况的，也就是说本文所分析得到的结果是沥青路面处 于最不利条件下沥青路面的水损害情况。 2 1 2 损伤力学理论 文中引入损伤变量，直接采用常用的疲劳损伤演化模型和经典损伤理论，进 行损伤分析，探讨在有孔隙水存在的条件下沥青路面的疲劳破坏规律。 考虑计算的结构中某一单元，设其出现了一定的损伤。通过损伤前后材料弹 性模量的变化来定义损伤度d ： i d = 1 一兰( 2 3 ) 丘。 这说明材料没有损伤时d = 0 ，破坏时d - - = 1 ，故d 的取值范围为d 1 。 直接采用各向同性线弹性损伤本构方程式，有： 仃2 e 0 一d ) f ( 2 4 ) 等效应力： 式中s i j 为应力偏量分量： 曲= 一磊 疲劳损伤演化方程形式为： 面d d 材( 南) ( 1 - d ) _ 9 式中，n + ，p ，q 为材料的疲劳损伤特性参数。 2 2 轴对称有限元分析 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 根据建立的力学模型，可以看到路面结构几何形状、约束条件及作用的荷载 都对称于某一固定的对称轴，那么在荷载作用下产生的位移、应力及应变亦对称 于此轴。由于对称性，沿过对称轴的任何平面内，位移的两个分量( 竖向位移w 和 径向位移u ) 完全确定了物体的应力、应变状态，故可以采用轴对称方法将问题简 化为二维问题来处理。 将计算结构用八节点等参元进行空间和时间离散，计算总刚矩阵和等效节点 荷载及流量增量列阵中的全部元素，并进行整体组装，得出含所有节点未知量的 线性方程组。然后引入位移边界条件和孔压边界条件，求解线性方程组，进而得 出各未知量。 2 2 1 计算图式 路面结构在轴对称垂直圆形均布荷载作用下的有限元计算图式如图2 1 所示。 我们采用圆柱坐标系( r 、o 、z ) ，以对称轴为z 轴，故应力、应变和位移都与0 方向无关，仅是r 与z 的函数。 设路面结构内没有初始应力和初始应变。体系的边界条件为：在z 轴上( r = 0 ) ，仅产生竖向位移而无径向位移；在底部边界上，认为离开表面足够远处，其 竖向和径向位移均为零，即作固定边界处理；在外侧边界上，假定仅有竖向位移 而无径向位移。 l 卫 图2 1 路面有限元模型 2 2 2 轴对称有限元分析 选取矩形八结点等参单元，采用的整体坐标是圆柱坐标系，r 表示径向坐标， z 表示轴向坐标。所取单元是一个在r o z 平面上投影为矩形的圆环，设单元是局部 坐标系f 一刁中边长为2 的正方形，坐标原点在正方形形心上，如图2 2 所示，显 然有：一1 f 1 , - 1 r 1 。 ij引上j。|fli叫l 量7 j 丝d r j 2 单元的基本未知量， 式中 】_ 【，1 巩 一l 血一1 ：l 。、七 整体坐标 ( 子单元) 坐标变换 一1 ) 1 ，5 ( o - 一1 ) 2 ( + 1 一” 叫音幽e + 1 ) 4 l 7 k + 1 ) 1 3 ( “ tn 自然坐标 ( 母单元) 图2 2 八节点单元 径向位移u ，竖向位移w 及孔隙水压力只可表示为 肼= 【蝌 ( 2 8 ) p 。= i n 】 p 。 巩】，i 为二阶单位阵，【n 】= 【1n 2 8 ； d 8 = 【彬u ：一u s r ，为单元结点的位移列阵 p ) 。= 【且p 2 p s i 7 ，为单元结点的孔隙水压力列阵。 单元任一点的整体坐标表示为： ，= i n 7 拊 8 z = 【，抡 。 式中 。= h 吒订； z 。= 【z 。乞毛】r ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 坐标变换形函数为： ，( f ，7 7 ) = ( 1 + 磊) ( 1 + ，7 。) ( 彘+ 吼一1 ) 身材? 4 + ( 1 一善2 ) ( 1 + 矾) ( 1 一舁) 叩? 2 ( 2 1 1 ) 一( 1 一叮2 ) ( 1 + 磊) ( 1 一叩? ) 舅2 式中： 彘= 鲁6 r o = r f r ( 扛1 8 ) ， 也即： 那么有： f ，( 孝，刁) = ( 1 + 品) ( 1 + 叩o ) ( 岛+ 1 。 n ，( 孝，刁) = ( 1 善2 ) ( 1 + 叩。) 2 i ，( 告，叩) = ( 1 一，72 ) ( 14 - 彘) 2 1 ) 4( f _ 1 , 2 ，3 ，4 角点) ( f = 5 ，7 一中点) ( 2 1 2 ) ( i = 6 , 8 一中点) 警_ ( 1 + 玎o ) ( 2 针翻_ 2 4 嘣l + ( 卜翱舟( 1 - 1 2 ) ( 1 飞2 肠3 2 汜91 1 3 ) 篮r。 1 ：；2 一( 1 + 彘) ( 彘+ 2 q o ) 等_ ? 4 ( 1 一孝：) ( 1 一毒：) ? 2 一v ( 1 + 善。) ( 1 叩；) f ? a 力 根据有效应力原理，几何物理方程和虚位移原理，写出b i o t 固结渗流的有限元 、严衡方程，将方程写成增量形式： k 】 j + 纠= 曲 ( 2 1 4 ) 式中 占 ， a p 为计算域在某计算时段的结点位移增量列阵和孔隙水压力增量列阵： 丘 为计算域在某计算时段对应于结点位移的总刚度矩阵： k 】_ 窆2 万n ! ( l b l 7 d 【口】) ( 卅”) m 砌 ( 2 1 5 ) 其中 b p 自单元的应变矩阵，p 】= eb 2 岛】， f 剐= 一 f ，0 n 。r 0 0 n 。 。i ， ( 2 1 6 ) 记弘，= 警以：= 警，下同净删，有却贝| | 在上式中令舭吨， 以消除奇异项。 d 】为某计算时段单元的切线刚度矩阵， 【。】= 百e ( 1 - 丽d ) ( 1 - p ) l 1 1 一t 0 “ 1 一 l “ i 一 o f 1 一 1 一 1 o 其中e ，u 分别为切线杨氏模量和切线泊松比，d 为损伤度。 l j l 为雅可比( j a c o b i a n ) 矩阵 j 的行列式， 1 4 ( 2 1 7 ) 生力 。 。 。旦妒 即 所以有 式中 = 陉 c ，= 矽1 | l i j ，z 2 ：。- ，j i 2 = 妻： 将单元刚度矩阵避为【t 】8 ，则有： 【屯 。= 2 石f ；p ；( 【b r 【d 】【曰】) ( 【】 ， 。) i y l d ：d 叩 嘲d 【耻糍 ( 2 1 8 ) ( 2 】9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 1 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 而m 。h 栉 。 户m 。 函 。 1 1 ， 1j 凡如 z z 叭一西毗一却。 i i = 堕够出一叻 ， ， 一 嘲一鸳巩一却。譬m = | 加一骘加一却 _ h ；珞 砒一凿堕却 巩一够巩一却叭一鸳叭一却 ，l1 姒一鸳巩一却 ，、【 。j|。j 堕静盟玉 ，_11 盟务堕& ，i州1 h 叭一鸳巩一叻 1llllj 无瓦 盟出盟如警哗 4 + 盟静盟如 幔 马，丝， 和缝 盟加盥，m 盟加盟如盟丹 盟出鹄 b 为计算域在某时段对应于孔隙水压力的总刚度矩阵 e k 。 = 主2 玎f 。l ( 【b 九吖) ，】) ( 【，】”) m 善却 ( 2 2 6 ) 其中 m = 【1 l1 o 7 ，为变换列阵， 月) 为某计算时段荷载增量所对应的结点力 增量夕u 阵。 根据d a r c y 定律有： v _ 女。 。阿1 v 【 9 ( 2 2 7 ) 式中 v 为7 l 隙水流速度列阵， v ) = v ，v ： 7 ：h 为水的密度： k q 。为单元渗透 系数矩阵，e k q 8 = 暑 ； v 为微分子算子， v = 岳南 2 。 在单元中任取一微元体d n = 2 x r d r d z 。在该微元体上，i 结点的等效体积为 d q 。= j d q ，它在r 方向上的等效面积改变量