基于交通荷载下的沥青路面疲劳损伤特性分析

【摘要】随着我国交通基础设施建设的不断完善，公路覆盖率越来越高。而公路施工以及后续使用效果问题也日渐突出。疲劳损伤是沥青路面的一种常见破坏模式，其产生的根本原因是在不均衡压力条件下，沥青的微量、反复形变会转变为诸如沉降、开裂等表象表征，严重的影响了公路的使用效果与道路安全。了解沥青路面疲劳损伤特性对于我们通过改良施工工艺、提高维护水平，进而避免或者减缓此种损伤对于路面使用造成的影响具有积极的意义。在这样的背景下，本文在系统的总结了沥青路面疲劳损伤带来危害的同时，对其产生的根本原因进行分析，并按照不同损伤类型给出损伤特性结论。通过本文的研究即能够解决交通荷载下的沥青路面疲劳损伤特性，还能够为后续不同工艺优化背景下的疲劳损伤降低提供必要的理论依据与实践指导。

【关键词】交通荷载；沥青路面；疲劳损伤；特征

一、引言

沥青作为道路施工的主要材料而受到社会各界的广泛关注，同时也是我国现阶段公路施工的重要基础材料。沥青路面由于其施工周期短、噪声小、路面平整度好等特征为应用广泛。然而，在沥青路面施工尤其是后续使用阶段，由于公路荷载的不均衡会造成一定的疲劳损伤情况，此种情况在现阶段的施工工艺条件下不可避免；如何降低此种由于载荷而造成的疲劳损伤是国内外学者共同关注的话题。而在研究工艺改良等有效措施的同时，探究其疲劳损伤产生的根本原因与特征是一种必要方式与前置条件。现阶段除了较为常见的地质测绘以及质量测绘等传统手段之外，数学模拟也是探究疲劳开裂特征的一种有效手段。在具体的研究过程中安排不同的荷载条件，对不同的疲劳损伤指标进行监控，利用综合评价的方式对特定路段可能出现的疲劳损伤进行预测具有理论与实践的双重价值。本文在总结疲劳损伤产生的可能原因的基础上，对多维度视角下的疲劳损伤特性进行试验模拟与总结，并以此为基础提出一定的解决对策。

二、疲劳损伤的危害

疲劳损伤是沥青路面最为常见的结构性病害之一，在微观上表现为由于受到不均衡的表面压强而形成的应力差异导致路面开裂或者不遵从沉降；在宏观上则表现为路面不平、开裂甚至是塌陷等病害。此种现象在道路病害中较为常见，对于道路的使用安全与使用寿命形成严重影响。其具体的危害主要表现为如下三个方面：

第一，对道路使用体验的影响。道路不平，尤其是规则性车辙的出现会使该道路上行使的车辆出现侧滑、偏轮、摆轮等现象。对于车辆行使的平稳度以及后续的车内体验造成严重的影响，从直观上表现为道路驾驶体验的缺失。

第二，对道路使用安全的影响。严重的荷载损伤会使得道路出现明显的凹陷甚至是坍塌，不仅会影响车辆轮胎的抓地性能，从而造成包括制动与刹车系统的失效，严重的形成跳车现象，进而对道路行驶车辆的安全造成隐患。

第三，对道路使用寿命的影响。道路损伤势必会造成公路使用寿命的降低，即使通过后续的维护与保养，新加入的沥青结构由于施工的独立性无法很好的与原有沥青路面保持一致，进而使得维护效果降低。

三、疲劳损伤成因分析

就现有的研究结论来看公路荷载损伤主要可以分为材料的损伤以及结构的损伤两种。

其中材料的损伤，考虑连续介质里的一个单元，设其出现了一定的损伤，如果以S、S*分别表示单元体内外法线为N的某截面在损伤前后的面积。假定损伤并不会改变截面的方向，则损伤可以利用公式（S- S*）/S来进行表征。而损伤度则可以表示为D=1-（S- S*）/S。其中，标准化质量合规的公路施工体系损伤度为0，而最大损伤度则取值为1。即上述的公式可以客观上利用路面损伤的表面积来代替材料的损伤程度，并且利用赋值为0-1之间的具体数值来进行客观的评价。如果认为材料损伤状态下的应变仅与有效应力有关，则假设在外荷载作用下，损伤材料的本构关系可采用无损伤时的形式而只需将原公式中的S转换为E，其中E代表了长效模式下的外部荷载力，而E与S之间的转换则可以通过公式S=E/φ来进行计算，其中φ代表了表面材料的抗性系数。即说明了，材料的损伤仅与外部荷载及其材料的表面耐磨系数相关。

路面施工的结构性损伤。结构在交变荷载作用下会产生大量的微裂纹形核，并且微裂缝随着荷载循环次数的增加而逐渐扩展，最终形成宏观裂缝导致材料的断裂，这种破坏称为疲劳损伤破坏。当疲劳寿命高于50000次时，为高周疲劳，反之为低周疲劳损伤；对于应力水平值低的高周疲劳，材料变形主要为弹性变形。对于应力水平值高的低周疲劳，则往往有塑性变形产生。在疲劳损伤理论中，损伤常常表示为荷载循环次数的函数。

四、疲劳损伤特性分析

从疲劳损伤产生的原因分析中我们可以发现，外部荷载以及循环频次对于其具有显著的影响。在具体的评价以及特性分析的过程中，我们也可以通过上述的几个方面来进行构建。通过实验研究以及相关的施工实践经验中我们可以发现如下规律：

第一，荷载与路面沥青损伤存在明显的线性关系。此种现行关系可以描述为类指数发展模式，即在较低的荷载模式下，沥青的损伤随着次数的增加而增加缓慢，当外部荷载相对较大时，则此类损伤存在一个明显的线性增加趋势，最终变化量趋于平缓。我们显著变化的起点与平衡点之间的剧烈变化趋于定义为沥青的核定外部荷载的最大区域。即在实际的道路沥青施工过程中，在该数值范围一下的应力荷载对于沥青的疲劳损伤虽然具有一定的负面贡献，但是此种损伤速率是在一个正常范围，是一个可以接受的现状。通过后续的科学维护体系能够做到不影响路面的实际使用效果与寿命。而当相关的外部荷载超过此种范围后，则对于路面沥青的疲劳损伤破坏显著增加，为对于公路的实际使用效果与寿命造成严重影响。

第二，通过不同的沥青配伍以及施工方式的优化能够达到推延平衡点的效果。即不同的施工方式与材料的选取能够带来沥青路面系统损伤系数的变化；该系数越大，通过上述公式确定的损伤出现的面积以及内部结构损伤出现的可能性则越小。或者说在同等外部荷载条件下，其损伤表现出现所需要的时间则越长。这对于沥青路面的使用效果与使用寿命具有积极的意义。

第三，在相同应力荷载条件下，重复的频次与重复的总量对于疲劳损伤具有显著的贡献。在宏观层面上，频次主要表现为道路的通车频次与通车总量，既可以表征公路使用年限，同时也可以表征公路的实际通车密度。这个特征对于我们后续制定完善的维护计划具有更为直接的指导与影响。

五、总结

交通荷载会对道路造成一定的影响，其决定了单位面积下的路面的压力分摊体系，因此对于我们研究公路施工工艺的优化以及后续的公路维护具有积极的意义。在本文的研究过程中通过系统的总结，找到疲劳损伤对于沥青路面的影响与危害，并通过理论分析确定了沥青路面疲劳损伤的根本原因以及数学模拟方式。基于上述的基础，本文展开了疲劳损伤特性的分析，发现荷载与路面沥青损伤的线性关系、不同配伍对抗疲劳系数的影响以及相同应力荷载下的频次与损伤之间的对应性。希望通过本文的研究能够为今后的相关施工提供必要的理论基础与实践指导。

参考文献

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