黏弹性对沥青路面疲劳开裂的影响分析

来源：职称驿站所属分类：交通运输论文
发布时间：2012-11-03浏览：14次

　　摘要：本文通过三维有限元模型的建立来对沥青路面的结构和底层进行应力的分析和计算，通过分析和计算最终找出粘弹性对于沥青路面的疲劳开裂是否存在一定的影响。

　　关键词：黏弹性,沥青路面,疲劳开裂,影响,分析

　　公路对于任何国家和城市来说都具有极其重要的意义，公路不仅可以使城市和城市之间的沟通更加便利，也可以带动一个城市的经济发展。我国目前公路都以沥青路面为主，而沥青路面经常会出现裂缝的问题，这个问题一直都得不到有效的解决。

　　沥青路面的主要材料时沥青混合料，该种材料是一种粘弹性材料，而过去的试验分析中都将该材料默认成线弹性材料，并采用弹性理论，然而这种默认很明显就会造成结果的不同。在过去曾经有人利用二维粘弹性有限元方法进行了试验分析，但本文是采用三维粘弹性有限元模型来针对沥青面进行分析。

　　一. 有限元模型

　　笔者针对不同的路面结构分析后可以发现虚位移原理和沥青路面结构之间并不存在联系，也就是说弹性力学辩分原理和有限元列式完全适用于热黏弹性有限元，所以在实际的分析中，只需要把弹性本构矩阵转换成粘弹性本构矩阵就可以。

　　本文通过针对有限元软件ABAQUS进行了科学的二次开发，并通过编写用户程序来进行细致的分析。其分析结果是对于黏弹性材料来说，该材料的基本力学参数应该是松弛模量，但是想要通过试验来直接针对松弛模量进行确认，技术上存在很大的困难。而在不同荷载频率和温度下，进行沥青混合料复数模量试验，并通过基本的黏弹性关系的转化就可以将松弛模量确定。

　　二. 水平应力分析

　　(1)要找出粘弹性是否真的会影响沥青路面疲劳开裂，那么就要针对沥青层的表面以及底面在荷载作用下，水平应力的真实的变化进行分析和研究。模拟分析要利用三种荷载模式来进行试验分析，包括矩形、三角形、半正弦。黏弹材料本身具有应力历史依赖性，所以在计算时必须保证在较小的时间增量步下进行求解，这样才能保证历史描述的精确性。所以说沥青混料具有松弛型和蠕变性，沥青路的黏弹性与不同时间的应力以及其所经历的历史有关，并随着时间产生了不断的变化。

　　(2)实验分析的结果告诉我们，在加载开始的瞬间，沥青路表面会瞬间产生水平压应力，而其内部产生瞬时的拉应力。随着荷载的继续，路面的结果会慢慢向下并呈弯曲状，这是因为沥青混合料具有松弛的特性。在卸载的瞬间，底层的水平拉应力瞬间降低并转变为压应力，而路表面则转变成拉应力，其原因是由于路面结构在卸载之后，都呈现一种恢复的状态，但由于沥青混合料自身的黏弹特点，所以不会瞬间恢复原状，而是需要通过一个过程，逐渐的恢复原状。在这个过程中，各种水平应力都在逐渐消失或减弱，由此可见沥青路面黏弹性分析与弹性分析的结果存在一定的差异。

　　(3)黏弹性材料具有应力历史的依赖性，所以不同荷载模式对于最终结果会存在很大的影响。使用矩形荷载对于分析来说可以有效简化，但无法真实的模拟真实作用，所以必须要利用另外的模式进行细致的分析。

　　通过试验分析，我们得出结果：三角形与半正弦荷载模式的结果比较相近，其变化程度也十分相似，但和矩形相比，就存在很多不同。在三角形或半正弦荷载地作用下，随着荷载的增加，沥青路表和底层的水平拉应力都在随之增大，到达一顶峰后，就逐渐降低。而在卸载过程中，三角形或者半正弦荷载与矩形类似，都是路表面以及底层的的水平应力都逐渐的降低并转变。这里要注意的一点是在三角形或者半正弦荷载卸载之前，沥青路表面和地层的水平应力已经发展为相应的应力。其原因是由于应力达到顶峰之后，路面就已经开始存在恢复的趋势，而随着荷载的逐渐减小，当恢复趋势已经大于荷载向下弯曲的趋势时，水平应力就会转变成相应的应力。

　　(4)而影响沥青路面疲劳开裂的因素之一就是荷载在加载和卸载时，路表面和底层所产生的水平应力的峰值。通过对矩形和半正弦荷载的试验，我们就可以发现，半正弦在加载、卸载过程中所产生的相应压应力和拉应力的峰值相较矩形荷载都要小。其原因就是作用时间对沥青混合料的黏弹性影响较大，而矩形荷载的加载和卸载过程的时间非常短，导致路面还没来得反应就已经结束，所以产生了较大的应力。也就是说选择哪种荷载模式对于试验分析来说存在较大的影响，所以在实际试验分析中必须要采取与实际接近的荷载模式。

　　(5)通过针对荷载模式的轮隙中心以及单侧轮载中心，以及不同距离和不同时间变化的分析。我们可以知道在荷载加载时，轮载中心下的路表应力与底层应力产生较快。而加载或者卸载之后，从轮隙中心一直到单侧轮载中心范围下所产生的应力也大致相同。

　　并且通过针对轮载中心和轮隙中心处产生的应力幅值就可以知道，底层和轮载中心的拉应力要大于轮隙中心，而两点的压应力幅值相同，那么就代表疲劳裂缝由下至上的起点应始于轮载中心之下。

　　三. 循环荷载下的响应

　　只有在循环荷载的作用下才算模拟真实环境，并且温度也应该存在不同的变化。本文只列举25°时的应力变化。通过试验分析，我们发现路面在循环荷载的作用下，表面和底层都会被水平拉应力和压应力不断的作用，而这就是造成沥青路面疲劳开裂的原因之一。

　　在25°下进行循环荷载的模拟试验，我们可以发现在每次加载、卸载之后，路表面和地层都会残留少量的应力，并且残留的应力积累速度很快，并很快变的稳定。而残余应力稳定后，随着温度的不断升高，在加载的过程中，沥青路表面所产生的压应力的幅值以及底层的拉应力的幅值都会出现降低的情况;而在荷载卸载的时候，沥青路表面的拉应力幅值以及底层的压应力幅值都应该处在10℃到40℃之间。

　　四. 结论

　　1.不同的荷载模式对于沥青路面应力的黏弹性响应具有不同的影响和结果，所以在实际的试验分析时必须要选择和实际荷载接近的模式来进行试验分析，只有这样才能得出正确的结果。

　　2.针对沥青路面的黏弹性的分析结果与弹性的分析结果存在很多不同。而造成沥青路疲劳开裂的原因之一就是在沥青路经过荷载的循环作用，也就是说沥青路表面经过不断的作用，最终导致了沥青路疲劳开裂。

　　3.在荷载的循环作用下，沥青路表面和底层都会产生少量的残余应力，这些残余应力聚集很快并逐渐转为稳定。而随着温度的不断升高，沥青混合料自身的松弛力加强，而残余应力却逐渐减弱。

　　4.随着温度的不断升高，沥青路表面的压应力幅值以及底层的拉应力幅值都呈降低的趋势。

　　结语：

　　公路对于我国的发展来说具有重要的意义，公路的好坏和经济发展有着直接的关系，所以我们必须要做好公路的建设，并且针对其中出现的问题进行细致的研究，并最终给予解决。

　　参考文献：

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　　[3]谢晨之，汤伟.基于力学分析法的沥青路面疲劳开裂研究[J].公路与汽运，2008(04)

　　[4]李维生，张雁.高速公路沥青路面疲劳开裂的研究[J].内蒙古农业大学学报：自然科学版，2007(04)