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长寿命路面疲劳寿命预测
发布时间:2022年05月22日

路面的疲劳寿命

路面疲劳是指在重复载荷作用下(这种重复荷 载一般比静载强度小),材料内部发生性能退化以 致失效。疲劳寿命为材料从开始受载到发生断裂经 历的时间,或产生疲劳破坏前所经历的应力或应变 的循环次数 [5~8]。

路面在荷载及环境气候条件(主要是水分和温 度)的反复作用下,其抗磨损、抗老化、抗水害、 抗疲劳性能、抗车辙性能以及抗温缩裂缝性能不断 下降,并且路表面的平整度、舒适(表面功能)性、 低噪音、抗滑性等也随之下降,极易产生疲劳破坏。

(一)沥青混凝土路面的疲劳寿命

Porter 早在 1942 年就注意到了疲劳破坏现象, 发现路面破坏前的轮载作用次数在较小的弯沉(小 于 0.5~0.75 mm)下只有几百万次;到了 20 世纪 50 年代,Nijboer 等指出,裂缝是疲劳作用的结果, 取决于弯沉大小和重复作用次数,且重点指出在设 计寿命后期,当沥青混凝土弯拉应力超过材料容许 强度时会使材料产生裂缝 [9,10]。国内学者对路面 疲劳特性进行系统研究开始于 20 世纪 60 年代,理 论与实践证明,路面在移动车轮荷载的重复拉压应 力和切应力的耦合作用下,会产生疲劳裂纹,裂纹 随着荷载作用逐渐发展扩大,形成贯通裂纹以致产 生疲劳破坏,这种疲劳破坏可以利用断裂力学理论 进行解释。

国内外学者关于沥青路面疲劳特性的研究主要 集中在以下两个方面:疲劳试验 [10] 和力学分析 [11]。采用疲劳试验分析试验结果得出应力应变曲 线,利用本构关系总结疲劳特性。采用力学分析原 理研究裂缝的形成过程,发现裂缝的力学规律,预 测材料的疲劳寿命 [12]

英国的 Brown 等 [13] 从路面结构方面进行了 沥青混合料的疲劳特性研究,并进行了室内疲劳试 验,得出了沥青混合料的疲劳方程并被英国路面设 计规范所采用。

美国加州大学伯克利分校 Moni ith 等 [14] 的 研究主要集中在沥青混合料的疲劳试验,进行室内 弯曲疲劳试验,发现材料的裂缝产生规律,并通 过室外足尺试验进行了验证,美国沥青学会(AI) 沥青路面设计方法中的沥青疲劳方程就是采用 Moni ith 得出的疲劳规律设置的。

在美国国家高速公路和交通运输协会(AASHTO)2002 年的结构设计指南中,沥青混合料疲劳 方程以美国沥青学会疲劳方程为基础并对其进行修 正,得出了考虑孔隙率、沥青含量、沥青混合料动 态模量等影响的疲劳方程 [15]

从 1960 年开始,SHELL 石油公司的研究人员 对沥青混合料进行了大量研究,于 1981 年修订了其使用规范,规范中使用的疲劳方程与美国规范以 及英国规范有相同的表达方法 [16]

(二)水泥混凝土路面的疲劳寿命

水泥混凝土路面疲劳寿命是我国水泥混凝土路 面结构设计方法中的一项重要指标,国内以车辆荷 载和温度综合作用产生的疲劳断裂作为设计标准, 在满足路面结构性能要求的前提下,混凝土路面出 现疲劳损坏时所能承受的重复作用次数定义为疲劳 寿命。由此可见,水泥混凝土疲劳寿命的预估也具 有非常重要的意义。

近年来,随着混凝土结构的不断增大,性能 不断增强,在使用过程中经常出现高应力区域, 而且会经常出现拉压应力重复交替的情况,在这 种拉压交替过程中,混凝土易产生疲劳问题。因 此,混凝土材料的疲劳问题又开始得到研究者的 深入关注。此后,随着实验水平的提高,越来越 多的研究者和研究成果相继产生,从而也推动了 混凝土疲劳研究的蓬勃发展。

国内外研究者对于混凝土路面寿命预估的研究 方法主要分为室内试验和现场试验两大类。由于试 验条件的限制,国内研究者主要采用室内试验方法, 采用混凝土试件的弯曲疲劳试验,考虑相应的影响 因素,探讨重复荷载应力与剩余疲劳寿命的关系, 认为疲劳的发生是一个逐渐产生、累积以致破坏的 过程,这种规律可以利用试验数据进行表征,得出 混凝土疲劳寿命的预测公式。室内试验法的主要问 题是材料样本重复次数多,在经费不足时难以开展; 而且这种方法得出的经验公式只能在混凝土路面没 有初始缺陷的条件下使用,在工程实际中其使用范 围有限。现场试验法主要被国外研究者采用,其中 以美国的国家公路管理员协会(AASHO)的试验 路最为典型。该方法主要是在室外足尺试验路进行 加速加载试验来模拟路面的疲劳破坏,得出混凝土 的疲劳特性,从而预估疲劳寿命。