沥青路面荷载与温度耦合作用疲劳特性分析

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1、和气象学的基本理论出发，用解析法对水泥混凝土路面一维温度场进行了较深入的研究，并从理论上分析了不同基层材料对路面温度场的影响，其结果可以用于计算水泥混凝土路面结构层内的最高和最低温度以及最大温度梯度等。吴赣昌【26】等人则采用二维层状体系模型，提出了一套计算路面温度场的方法，其研究工作比较系统，但由于采用了二维模型，计算过程复杂，故一直未在工程部门得到推广应用。2001年，长安大学的韩子东、夏永旭、王秉纲等，在国内外首次给出了一个道路结构温度场年变化的解析表达式，求解过程中温度边界条件中的相关参数通过现场实测

2、确定【18】。因温度变化引起沥青路面开裂问题的研究始于上世纪60年代，直到今天国内外工程界仍然十分关注这个领域的研究与发展。从已有的成果来看，早期的工作主要集中在低温开裂方面，重点是温度应力的计算方法以及沥青混合料低温抗裂性能的试验研究。80年代后期至90年代初期，许多国家开始致力于旧路改造方面的工作，因此，温缩型反射裂缝的研究受到了前所未有的重视。美国战略公路研究计划启动后，将温度变化引起的沥青路面开裂问题的研究进一步推广到一个新的阶段，在该计划中，对于温度应力的测定、温度开裂的预估、试验与分析仪器的开发以

3、及低温开裂和温度疲劳开裂等方面的问题进行了广泛的研究和推广应用，目前，正在致力于开发应用这些方法与手段对沥青混合料的低温开裂与温度疲劳开裂的有关性能进行评价的分析系统。在根据沥青的基本性质对开裂温度进行预测方面，国内外有关研究人员进行了许多的研究工作，包括Meleod的诺模图、Hills和Brien提出的预估温度破裂法、Hagek—Hass预估低温开裂统计模型以及Hadson等人建立的路面系统分析性能模型等。在预估沥青路面开裂率的方面，我国哈尔滨建筑大学亦做了很多研究工作。吴赣昌在文献【2】中建立了比较符合路

4、面实际的半刚性基层沥青路面二维粘弹性层状体系温度场和温度应力的计算理论，提出了预测路面开裂的理论方法。在温度应力的计算方面影响最为深远的研究应首推希尔思(Hills)和勃恩(Brien)的预估破裂温度法【21，在理论力学模型方面，国内外学者通过大量研究发现，在低温状态下沥青混合料的粘弹性本构关系可以用Burgers模型表征；也有些采用广义Maxwell模型描述，后来又出现了松弛理论简化法和能量法等【261。将路面疲劳正式纳入研究的重点方向始于1962年在美国密西根大学举行的第一届国际沥青路面结构设计会议，会上

5、对于疲劳是沥青路面形成开裂的主要原因之一，并会导致路面损坏这一看法，得到了普遍的认可。随后专题讨论沥青路面疲劳问题的论文日益增多，涉及疲劳机理、试验方法、量测技术设备、影响因素分析，以及这些研究成果在路面结构中的实际使用效果和对路面设计体系的改进等等。我国针对沥青路面疲劳的研究工作始于1972年，目前已经积累了相当的资料。沥青路面疲劳主要受车辆和温度的复合荷载、汽车前后轮或前后车辆轮载的间隔时间、路面中的实际应力状态、混合料的劲度模量、混合料中沥青的含量以及混合料空隙率的影响。综合目前已有的研究成果，针对沥青

6、路面疲劳的研究方法可以分为现象学法和力学理论方法【l】。现象学法是传统的疲劳研究方法，以试验为主，采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质。应用现象学法进行疲劳试验的方法很多，归纳起来可以分为四类：试件试验法、试板试验法、模型路面试验法和现场路面实测法。在现象学法中，美国加利福尼亚大学的教授莫尼史密斯(C．L．Monisimith)和英国诺丁汉大学的教授佩尔(P．S．Petl)的论著最具代表性。力学理论分析方法的发展经历了两个阶段，传统的疲劳强度理论认为荷载的循环作用对材料造成损伤积累而出现疲劳破坏，相关的分析基本都是

7、针对完全连续、无缺陷的道路结构体系进行的。后来发展的疲劳断裂力学的观点认为，结构的破坏正是由于其内部存在的缺陷引起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，这种方法可以反映路面体系的荷载、几何和边界条件、材料性质对疲劳过程的影响，并可提供较准确的定量描述。研究温度疲劳问题的方法目前仍不成熟，大体上也可以分为现象学法和力学法【l】。现象学法研究沥青混合料的低温疲劳开裂一般采用温度应力试验，主要有间接拉伸试验、直接拉伸试验、蠕变试验、受

8、限试件的温度应力试验、应力松弛试验等。国内外曾进行过大量温度循环作用的试验研究，确定温度疲劳破坏次数。Majidzadeh曾研究出一种力学方法，认为疲4劳寿命可以用裂缝产生、扩展到最终破坏的线弹性破坏力学来描述，在这～方法的评价和应用中，Abdulshafi和Majidzadeh认为能量释放率J．。是用弹性和塑性破坏力学方法来预估疲劳寿命的一个合适的材料参数。我国也曾采用低频疲劳试验来研究温度疲劳，