半刚性基层沥青路面疲劳损伤特性研究综述

半刚性基层沥青路面疲劳损伤特性研究综述

朱斌

重庆交通大学，土木工程学院，重庆 400074

摘要：对沥青路面疲劳损伤特征的研究，能有效地反映沥青路面疲劳损伤的基本情况。但目前对沥青路面疲劳损伤理论的研究状况而言，其理论内容尚不够深入。针对这一情况，本文阐述了沥青路面疲劳损伤基本原理，简述了沥青路面疲劳损伤研究现状，对半刚性基层沥青路面疲劳损伤特性进行了总结和分析。

关键词：沥青路面；疲劳损伤；综述研究

沥青路面结构多样，在我国公路建设中起到重要作用。其中半刚性基层沥青路面结构更是我国高速公路建设的主要结构形式，具有承载力大、原料丰富、造价低廉等特点。但随着使用时间的增长，在使用过程中也暴露出许多问题，其中最突出的就是早期被破坏问题。造成这种现象的主要原因是技术和质量问题。因此，部分高速公路使用寿命低于设计使用年限的问题也得到了相关学者们的重视。

目前在进行沥青路面结构设计时多采用的方法是主要是力学—经验法[1]，与传统经验法相比，有明显优势，但仍存在一些问题。因此，越来越多的学者提出了研究疲劳损伤力学的概念[2]，并将这些研究成果应用于相关的设计理论和规范。针对这些问题采用新的设计方法，系统的探究沥青路面疲劳损伤发展阶段和损伤演化的各种规律，并对半刚性基层沥青路面疲劳损伤特性进行综述，总结分析沥青路面疲劳损伤力学研究现状，可为半刚性基层沥青路面的施工、设计、养护维修等提供合理依据。

一、疲劳损伤力学基本原理

（一）疲劳损伤力学简介

损伤力学是固体力学的一个分支。路面在使用过程中，会受到长期反复受荷载作用，并且压应力、拉应力均存在，处于不断交替变化的状态[3]。在这种状况下，当路面面层材料承受的重复荷载作用次数超过了其所能承受的最大荷载作用次数时，路面结构强度就会降低，最终产生损伤并被破坏，这种过程就是一种典型的路面疲劳损伤现象[4]。

（二）疲劳损伤力学主要内容

① 损伤变量

损伤变量可以反映材料或者结构物的劣化程度，即材料内部微小裂缝在整个材料或者结构物的体积占比情况。沥青路面发生损伤演化过程时，其材料微观结构以及其某些物理性能会随之发生改变，因此，我们可以采用这种微观变化来衡量材料的疲劳损伤程度。在发生不同的损伤过程时，可以选取得到不同的损伤变量，即使时针对同一损伤过程，也可以有不同的损伤变量对其进行表示[5]。

② 损伤材料的本构关系

反映结构或者材料应力张量与应变张量关系的关系式称为本构关系。沥青路面发生损伤演化过程时，其材料微观结构以及其某些物理性能会随之发生改变。

③ 损伤力学的计算实现

损伤力学的计算实现过程，是疲劳损伤力学最终得以实现的最关键一步，这一过程也是一个复杂的过程，要想得到最后的力学模型，必须有针对的得出计算关系式，借助一定的拟合也可以规划设计这方面的内容。

二、沥青路面疲劳损伤研究现状

沥青路面在使用过程中，其疲劳损伤程度会受到很多因素的影响。沥青路面的破坏问题引起了广大的关注，不仅仅是起设计中的设计难度问题，更多的考虑到可能引起安全性的问题。因此，对路面材料疲劳性能的研究一直得到了国内外的重视，有关学者和研究机构已发表了大量关于路面材料疲劳寿命影响因素如试验方式和条件、材料组成及环境因素等方面的著作和研究报告，并将这些研究成果应用于相关的设计理论和规范。

（一）沥青路面疲劳模型研究现状

① 现象学模型

现象学模型考虑的是沥青路面结构材料在多种荷载多次作用下的情况，其荷载作用随时间延续产生应力场的积累现象，当积累达到一定程度时，沥青路面结构原材料发生破坏。Di Benedatto. H等进行了梯形梁弯曲试验，实验过程中采用控制变量法多次实验，对不同的材料进行分类，将恒定的应变持续作用在梯形梁上，对比试验选取了不同的应变大小，并对实验结果进行了修正；关于应变—材料参数模型设计，Bonnaure、Pell和Brown等都有研究，在此基础上，Harvey分析了不同沥青混合料与不同孔隙率对材料疲劳性能的影响，建立了疲劳模型。

② 能耗模型

能耗模型反映的是荷载作用的次数与散耗能之间的关系，能量损耗的过程与疲劳损伤有着十分紧密的关系，利用能耗模型，可从能量损耗考虑到沥青路面疲劳损伤情况，黄卫在试验中对多根沥青混凝土梁进行疲劳试验，采用控制应变的方法，过程中控制了不同情况下的应变，总结并分析多次试验结果，建立了考虑能耗的疲劳损伤模型。

③ 断裂力学模型

相关学者认为混凝土的断裂力学研究与沥青路面材料相似，因此，在分析了早期混凝土断裂力学之后，并由此提出了沥青路面材料疲劳断裂破坏模型。Majidzadeh等首先将断裂力学原理应用于沥青混合料的疲劳试验中，并总结出沥青混合料的Paris-Erdogan方程，针对沥青粘弹—粘塑性的特点。

（二）沥青路面疲劳损伤力学研究现状

损伤变量可以反映材料或者结构物的劣化程度，即材料内部微小裂缝在整个材料或者结构物的体积占比情况。损伤演化方程是研究损伤演化过程的关键，能够有效的反映出其损伤效果，并具体的应用到最终的损伤演化模型当中。B. Shane Underwood等对变化下的温度、荷载、加载时间等条件进行了试验，得到了相对应的应力、应变的关系，并用净减损系数考虑为沥青材料的粘塑性损伤因子；钱国平等基于沥青混合料的热粘弹性性能拟合了沥青混合料的广义 Maxwell 模型，计算了在不同温度荷载和不同工况作用下的沥青疲劳寿命和初期开裂方式；朱耀庭等基于热力学理论建立了沥青粘弹—粘塑性模型，提出了沥青混合料损伤因子对沥青裂缝发展影响的研究。

三、需进一步关注的问题

① 目前学者们对于沥青路面损伤模型的研究多以一维损伤为主，对于多维的研究还很少见到，今后的研究可向这方面进行。

② 至今为止，用于沥青路面损伤分析的模型还是以Schapery模型为主，但是在现场中还是难以广泛应用，因此对其进行优化才能更好的符合沥青路面疲劳损伤研究的实际需要。

四、结论

本文简述了沥青路面疲劳损伤发展阶段和损伤演化的各种规律，分析了沥青路面疲劳模型的研究现状，并对半刚性基层沥青路面疲劳损伤特性进行综述，梳理了国内外学者对损伤变量、损伤演化过程及损伤—本构方程的研究现状，可在一定程度上促进沥青路面领域的发展和前进。

参考文献

[1]孙立军.铺面工程学[M].上海:同济大学出版社,2012:157-159.

[2]沙爱民,贾侃,李小刚.半刚性基层材料的疲劳特性[J].交通运输工程学报,2019,9(3):29-33.

[3]朱洪洲,黄晓明.沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析[J].东南大学学报:自然科学版,2014,34(2):260-263.

[4]关宏信,郑健龙,张起森.沥青混合料的黏弹性疲劳损伤模型研究[J].力学与实践,2017,29(2):50-53.

[5]李之达,陈智军,李芬.沥青混凝土路面水破坏的疲劳损伤模型研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2019,33(1):5-8.

作者简介：朱斌（1996-），男，汉族，江西吉安人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：土木工程