沥青路面病害及力学模型研究

沥青路面病害及力学模型研究

蒋顺龙

重庆交通大学

摘要：沥青混凝土是我国公路路面施工工程中常见的一种施工材料，现阶段由于沥青混凝土材料会受到施工技术水平专业人员综合能力以及环境因素等各方面的影响，在后期使用过程中会产生不同程度的龟裂、纵向裂缝、横向裂缝、车辙与沉陷等病害现象。鉴于此本文讨论了沥青路面病害力学研究的发展和相关工作，阐述路面常见病害的力学模型和力学机理。旨在了解路面病害形成机理、提高路面使用寿命和降低道路维护成本，为沥青路面理论与技术的发展提供参考。

关键词：沥青混凝土；病害；力学分析；

0  引言

由于行车舒适、噪音小、开放交通快、易于维修等优点，沥青混凝土路面是我国公路的主要路面形式[1]。沥青路面病害是指在使用过程中，由于各种因素导致沥青路面出现的损坏或变形现象，包括龟裂、裂缝、车辙等。本文从断裂力学的角度，对沥青路面几种常见病害的力学机理进行了概括性分析，深入理解不同病害发生的本质原因和力学机制，为制定相应的维护和修复方案提供科学依据[2]。

1  常温下路面的塑性变形

1.1  常用道路材料塑性本构模型

目前路面力学分析中常用的道路材料弹塑性本构模型包括：Tresca模型、Mises模型和Mohr-coulomb模型，其中Mohr-coulomb模型描述了材料在不同的法向应力和剪应力条件下的强度特性[3-5]。

1.2  路面材料的剪胀

路面材料的剪胀性通常是指其在受到外部荷载作用时，发生剪切变形和体积膨胀变形的能力。简单的物理模型可以解释剪胀性[6]。当施加水平荷载时，部分颗粒之间发生相对滑动，导致材料的剪切变形。同时，一些颗粒会因此被挤压，使得材料体积发生膨胀变化。该模型受到两个力的作用：法向力Pn和水平力Pt。当Pt逐渐增加时，部分颗粒之间发生相对滑动，此时Pt需要克服黏聚力和由两类摩擦引起的阻力，即面摩擦和咬合摩擦[7]。

2  沥青疲劳开裂变形

2.1  沥青材料疲劳破坏分析方法

沥青路面在自然环境和行车荷载的作用下容易出现早期破坏，因此研究路面开裂和损伤的力学行为非常重要。

2.1.1  现象学方法

现象学法通常采用试验数据来建立经验模型，以将疲劳寿命与应变、材料弹性模量、环境参数等相关变量联系起来[8]。常用的有一下三种模型。

（1）疲劳寿命－应变模型

该模型描述了沥青材料在反复载荷作用下的应变与循环次数之间的关系，可以用来预测沥青混合料的疲劳寿命。

（2）疲劳寿命－应变－劲度模型

由于沥青混合材料是黏弹性材料，其劲度模量随温度和荷载作用时间的不同而发生变化。疲劳寿命-应变-劲度模型考虑了材料的刚度和载荷历史对疲劳寿命的影响，可以更准确地预测疲劳寿命。

式中，Nf

εt

Smix

k、n

（3）疲劳寿命－应变－材料和环境参数模型

疲劳寿命-应变-材料和环境参数模型包括了材料本身的力学参数、化学成分以及外部环境参数等因素，可以更全面地描述材料在疲劳加载下的失效行为。

3  沥青路面车辙力学机理

3.1  车辙形成机理

一般将车辙的演化过程分为3个阶段[10]。

第一阶段：在道路使用初期，由于交通量较小，车辆轮胎与道路的接触面积有限，因此产生的车辙深度相对较浅。此时车辙主要是由于轮胎打压和拉拽作用形成的，车轮对道路表面的压力会使得路面材料逐渐被压实，这个过程叫做压密。压密可以减少空隙和孔隙度，提高路面的承载能力和抗水性。

第二阶段：当车辙深度达到一定程度时，沥青混合料开始变形和流动。这是因为车轮作用下的剪切力会使得沥青混合料内部发生滑动和变形，从而导致路面表面出现蠕变和扩散。这个阶段也被称为塑性变形阶段。

第三阶段：当车辙深度继续加深时，路面的抗剪强度会逐渐降低，最终导致路面在车轮作用下发生破坏，这个阶段也叫做裂纹扩展和疲劳破坏阶段。

4  结论

（1）沥青路面材料的弹塑性模型有多种，但应变软化模型最能够反映实际情况。软化会导致材料内部形成剪切带，并出现剪胀现象

（2）损伤力学和断裂力学是研究路面损伤和破坏规律的主要框架。paris方程基于断裂力学理论，用于研究循环荷载作用下路面开裂，并在后续被修正和改进。

（3）预测车辙深度的方法包括理论法、经验法和力学-经验法。其中，理论法复杂且具有经验性；经验法通过试验得到的材料参数来计算车辙深度；力学-经验法在修正和完善后考虑的因素较为全面，但仍有局限性需要进一步探究。

参考文献(References)：

[1] 交通运输部, 2020 年交通运输行业发展统计公报, 2021.https://xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202105/t20210517_3593412.html.

[2] 尹健, 张贤超, 宋卫民等. 基于混料设计理论的透水混凝土骨料特征响应分析[J]. 建筑材料学报, 2013, 16(05): 846-852.

[3] Braham A, Underwood B S. State of the Art and Practice in Fatigue Cracking and Evaluation of Asphalt Concrete Pavements (Version 1.0). Technical Report from the Association of Asphalt Paving Technologists (AAPT), 2016.

[4] 宋卫民,吴昊. 基于断裂力学的沥青混凝土抗裂性能与研究方法进展[J/OL]. 材料导报, 2023(16): 1-29.

[5] 元松, 单景松. 基于FWD的柔性路面结构动力响应数值分析[J]. 长沙交通学院学报, 2006, 22(2): 33-37.

[6] 赵杏梅. 动荷载作用下沥青路面动态响应研究[J]. 湖南交通科技, 2015, 41(2): 37-39.

[7] 郑元勋, 杨培冰. 热一结构耦合作用下沥青路面动态弯沉温度修正研究[J]. 郑州大学学报(工学版), 2014, 35(2): 1-5.

[8] 郑健龙. 基于状态设计法的沥青路面弯沉设计标准[J]. 中国公路学报, 2012, 25(4): 1-9.

[9] 王明, 林发金, 刘黎萍. 基于简化能量耗散率的岩沥青改性沥青疲劳性能[J]. 建筑材料学报, 2015, 18(06): 1024-1027+1032.

[10] 朱洪洲, 范世平, 卢章天. 基于DSR时间扫描的沥青常应力疲劳演化规律分析[J]. 公路交通科技, 2017, 34(11): 8-14+37.