動(dòng)載作用下瀝青混凝土非線性疲勞損傷特性與模型研究一、引言1.1研究背景隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，公路運(yùn)輸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位愈發(fā)重要。瀝青路面因其行車舒適性好、噪音低、施工便捷、維修養(yǎng)護(hù)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，在高等級(jí)公路中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在長(zhǎng)期的車輛荷載作用下，瀝青路面不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種病害，其中疲勞開裂是最為常見且危害較大的一種。疲勞開裂的產(chǎn)生會(huì)顯著降低瀝青路面的使用壽命，增加道路維護(hù)成本。開裂后的路面在雨水的侵蝕下，水分容易滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致基層軟化、強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞。同時(shí)，路面的不平整會(huì)使行車舒適性下降，增大車輛的磨損和油耗，甚至影響行車安全。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)已建的高等級(jí)公路中，相當(dāng)一部分路面在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)就出現(xiàn)了不同程度的疲勞開裂病害，這不僅給交通運(yùn)營(yíng)帶來了諸多不便，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。瀝青路面的疲勞開裂問題一直是道路工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的疲勞損傷理論多基于線性假設(shè)，認(rèn)為材料在疲勞過程中的力學(xué)性能變化是線性的，這種理論在一定程度上能夠解釋部分疲勞現(xiàn)象，但與實(shí)際情況存在一定偏差。實(shí)際上，瀝青混凝土是一種復(fù)雜的粘彈性材料，在動(dòng)態(tài)荷載作用下，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，疲勞損傷過程也并非簡(jiǎn)單的線性累積，而是一個(gè)復(fù)雜的非線性演化過程。因此，深入研究動(dòng)載作用下瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性，對(duì)于準(zhǔn)確揭示瀝青路面疲勞開裂的內(nèi)在機(jī)制，建立更為科學(xué)合理的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，提高瀝青路面的設(shè)計(jì)水平和使用壽命，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。這不僅有助于降低道路建設(shè)和維護(hù)成本，保障交通的安全與暢通，還能為我國(guó)交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探討動(dòng)載作用下瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性，揭示其疲勞損傷演化規(guī)律，建立考慮非線性因素的疲勞損傷模型，為瀝青路面的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)提供更為科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體而言，通過開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究不同加載條件（如荷載大小、加載頻率、加載波形等）、材料組成（如瀝青種類、集料級(jí)配、添加劑等）和環(huán)境因素（如溫度、濕度等）對(duì)瀝青混凝土非線性疲勞損傷特性的影響，獲取豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理論分析和模型建立提供基礎(chǔ)?；谠囼?yàn)結(jié)果，從微觀和宏觀層面分析瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的疲勞損傷機(jī)制，明確非線性因素在疲勞損傷過程中的作用方式和影響程度。利用損傷力學(xué)、粘彈性力學(xué)等理論，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立能夠準(zhǔn)確描述瀝青混凝土非線性疲勞損傷過程的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，提高模型的精度和可靠性。瀝青路面在交通基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)著舉足輕重的地位，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到交通運(yùn)輸?shù)男屎桶踩Ｉ钊胙芯縿?dòng)載作用下瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性，對(duì)于保障瀝青路面的長(zhǎng)期性能和使用壽命，推動(dòng)道路工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，具有極為重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的線性疲勞損傷理論無法準(zhǔn)確描述瀝青混凝土在復(fù)雜動(dòng)載作用下的疲勞損傷過程，導(dǎo)致在路面設(shè)計(jì)和分析中存在較大誤差。通過對(duì)瀝青混凝土非線性疲勞損傷特性的研究，可以完善和發(fā)展瀝青混凝土疲勞損傷理論，填補(bǔ)該領(lǐng)域在非線性研究方面的不足，為道路材料力學(xué)性能的研究提供新的思路和方法。準(zhǔn)確掌握瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的疲勞損傷規(guī)律，有助于建立更加科學(xué)合理的瀝青路面設(shè)計(jì)方法和疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。這將使路面設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際交通荷載和環(huán)境條件，提高路面結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性，減少早期病害的發(fā)生，延長(zhǎng)路面的使用壽命?；趯?duì)瀝青混凝土非線性疲勞損傷特性的認(rèn)識(shí)，可以優(yōu)化瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，選擇更合適的原材料和添加劑，提高瀝青混凝土的抗疲勞性能。在路面施工過程中，也可以根據(jù)研究成果制定更加合理的施工工藝和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，確保路面的施工質(zhì)量。研究瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性，能夠?yàn)闉r青路面的養(yǎng)護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。通過對(duì)路面疲勞損傷狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的病害隱患，制定針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)措施，提高養(yǎng)護(hù)工作的效率和效果，降低養(yǎng)護(hù)成本。在交通量日益增長(zhǎng)、車輛荷載不斷增大的背景下，提高瀝青路面的性能和使用壽命對(duì)于保障交通的安全與暢通至關(guān)重要。本研究的成果將有助于提升我國(guó)瀝青路面的建設(shè)和維護(hù)水平，促進(jìn)交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，瀝青混凝土疲勞損傷的研究起步較早。上世紀(jì)中葉，美國(guó)就開展了大規(guī)模的道路試驗(yàn)研究，如著名的AASHTO試驗(yàn)路，對(duì)瀝青路面在實(shí)際交通荷載作用下的性能進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，為后續(xù)疲勞損傷理論的發(fā)展奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。早期的研究主要集中在建立疲勞壽命與荷載作用次數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如W?hler曲線的提出，為瀝青混凝土疲勞壽命的初步評(píng)估提供了方法。隨著材料科學(xué)和力學(xué)理論的發(fā)展，學(xué)者們逐漸關(guān)注瀝青混凝土在疲勞過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。借助先進(jìn)的微觀測(cè)試技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等，對(duì)瀝青混凝土內(nèi)部的裂紋萌生、擴(kuò)展以及集料與瀝青界面的破壞機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土的疲勞損傷不僅與宏觀力學(xué)性能相關(guān)，還受到微觀結(jié)構(gòu)特征的顯著影響，如集料的形狀、分布，瀝青的粘性、彈性等。在疲勞損傷模型方面，國(guó)外學(xué)者提出了多種理論模型。基于連續(xù)損傷力學(xué)的模型，將瀝青混凝土視為連續(xù)介質(zhì)，通過引入損傷變量來描述材料在疲勞過程中的力學(xué)性能退化。這類模型能夠較好地反映疲勞損傷的宏觀演化規(guī)律，但在描述微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)損傷的影響方面存在一定局限性。為了克服這一問題，一些學(xué)者引入了細(xì)觀力學(xué)方法，建立了細(xì)觀-宏觀相結(jié)合的疲勞損傷模型，考慮了集料、瀝青砂漿等細(xì)觀組分的力學(xué)行為及其相互作用對(duì)宏觀疲勞性能的影響。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法在瀝青混凝土疲勞損傷研究中得到了廣泛應(yīng)用。有限元方法（FEM）、離散元方法（DEM）等被用于模擬瀝青混凝土在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)和疲勞損傷過程，能夠直觀地展示損傷的發(fā)展過程和分布規(guī)律，為理論研究提供了有力的工具。國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷的研究始于上世紀(jì)七八十年代，隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速發(fā)展，相關(guān)研究逐漸深入。早期主要借鑒國(guó)外的研究成果和試驗(yàn)方法，開展了大量室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)不同類型瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，研究了瀝青種類、集料級(jí)配、添加劑等因素對(duì)瀝青混凝土疲勞性能的影響。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際工程情況，對(duì)疲勞損傷模型進(jìn)行了改進(jìn)和完善。考慮到我國(guó)交通荷載的特點(diǎn)和環(huán)境條件，建立了一些具有針對(duì)性的疲勞損傷模型，如考慮溫度、濕度等環(huán)境因素影響的疲勞損傷模型，提高了模型在我國(guó)工程實(shí)踐中的適用性。近年來，隨著我國(guó)對(duì)道路工程質(zhì)量和耐久性要求的不斷提高，瀝青混凝土疲勞損傷的研究更加注重多學(xué)科交叉和新技術(shù)的應(yīng)用。材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的理論和方法被引入到瀝青混凝土疲勞損傷研究中，從微觀和宏觀多個(gè)層面深入揭示疲勞損傷的本質(zhì)。例如，利用納米技術(shù)研究瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和性能，開發(fā)新型納米改性瀝青，提高瀝青混凝土的抗疲勞性能；采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究瀝青與集料之間的界面相互作用，為優(yōu)化瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在試驗(yàn)技術(shù)方面，也取得了顯著進(jìn)展，如動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）等先進(jìn)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，能夠更加準(zhǔn)確地測(cè)試瀝青混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，為疲勞損傷研究提供了更可靠的數(shù)據(jù)支持。盡管國(guó)內(nèi)外在瀝青混凝土疲勞損傷研究方面取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。目前的疲勞損傷模型大多基于理想的試驗(yàn)條件建立，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于交通荷載的復(fù)雜性、環(huán)境因素的多樣性以及材料性能的離散性，模型的預(yù)測(cè)精度有待進(jìn)一步提高。對(duì)瀝青混凝土在多因素耦合作用下的疲勞損傷機(jī)制研究還不夠深入，如交通荷載、溫度、濕度、紫外線等因素相互作用對(duì)疲勞損傷的影響規(guī)律尚未完全明確。在微觀層面，雖然對(duì)瀝青混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)，但微觀結(jié)構(gòu)與宏觀疲勞性能之間的定量關(guān)系還需要進(jìn)一步研究和完善。此外，現(xiàn)有的研究主要集中在常規(guī)瀝青混凝土，對(duì)于新型瀝青混合料，如溫拌瀝青混合料、橡膠瀝青混合料等，其疲勞損傷特性的研究還相對(duì)較少，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。1.4研究?jī)?nèi)容與方法1.4.1研究?jī)?nèi)容本研究將圍繞動(dòng)載作用下瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性展開，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：瀝青混凝土疲勞損傷試驗(yàn)研究：開展室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，制備不同級(jí)配和瀝青含量的瀝青混凝土試件，采用控制應(yīng)力或控制應(yīng)變的加載方式，施加正弦波、方波等不同波形的動(dòng)態(tài)荷載，研究在不同加載條件下瀝青混凝土的疲勞壽命和疲勞損傷演化規(guī)律，分析荷載大小、加載頻率、加載波形等因素對(duì)疲勞損傷的影響。通過改變?cè)囼?yàn)溫度和濕度條件，研究環(huán)境因素對(duì)瀝青混凝土非線性疲勞損傷特性的影響，揭示溫度、濕度與疲勞損傷之間的內(nèi)在聯(lián)系。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測(cè)試手段，對(duì)疲勞損傷前后的瀝青混凝土試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，觀察微觀結(jié)構(gòu)的變化，如裂紋的萌生、擴(kuò)展，集料與瀝青界面的破壞等，從微觀層面解釋瀝青混凝土的疲勞損傷機(jī)制。瀝青混凝土非線性疲勞損傷模型建立：基于損傷力學(xué)理論，考慮瀝青混凝土的粘彈性特性和非線性疲勞損傷行為，引入合適的損傷變量，建立能夠描述瀝青混凝土在動(dòng)載作用下疲勞損傷演化過程的非線性疲勞損傷模型，確定模型中的參數(shù)，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。分析不同因素在模型中的作用方式和影響程度，如荷載因素、材料因素、環(huán)境因素等，為瀝青路面的設(shè)計(jì)和分析提供理論依據(jù)。多因素耦合作用下瀝青混凝土疲勞損傷分析：考慮交通荷載、溫度、濕度等多種因素的耦合作用，研究其對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷的綜合影響，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，建立多因素耦合作用下的疲勞損傷模型，預(yù)測(cè)瀝青混凝土在復(fù)雜實(shí)際工況下的疲勞壽命。分析各因素之間的相互作用關(guān)系，明確主導(dǎo)因素和次要因素，為瀝青路面的耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)決策提供科學(xué)指導(dǎo)。1.4.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將采用以下研究方法：試驗(yàn)研究法：通過室內(nèi)試驗(yàn)，制備符合標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混凝土試件，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）等設(shè)備，對(duì)試件施加不同類型的動(dòng)態(tài)荷載，模擬實(shí)際交通荷載作用，測(cè)量試件在疲勞過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、勁度模量等力學(xué)參數(shù)，獲取疲勞壽命和疲勞損傷演化數(shù)據(jù)，為理論分析和模型建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。采用微觀測(cè)試技術(shù)，對(duì)瀝青混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析，了解微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀疲勞性能之間的關(guān)系。理論分析法：運(yùn)用損傷力學(xué)、粘彈性力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的疲勞損傷機(jī)制進(jìn)行深入分析，從材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能出發(fā)，探討疲勞損傷的產(chǎn)生、發(fā)展和演化規(guī)律，建立非線性疲勞損傷模型的理論框架，推導(dǎo)模型中的相關(guān)公式和參數(shù)表達(dá)式。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，使其能夠準(zhǔn)確描述瀝青混凝土的非線性疲勞損傷行為。數(shù)值模擬法：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立瀝青混凝土的數(shù)值模型，模擬其在動(dòng)載作用下的力學(xué)響應(yīng)和疲勞損傷過程，通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到損傷的發(fā)展過程和分布規(guī)律，分析不同因素對(duì)疲勞損傷的影響，與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高研究的可靠性和準(zhǔn)確性。通過數(shù)值模擬，可以對(duì)一些難以通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的工況進(jìn)行研究，拓展研究的范圍和深度，為瀝青路面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。二、瀝青混凝土基本特性及疲勞損傷理論2.1瀝青混凝土組成與基本性能瀝青混凝土是一種典型的復(fù)合材料，主要由瀝青、集料、礦粉以及可能添加的外加劑等組成，各組成成分在瀝青混凝土中扮演著不同角色，對(duì)其性能產(chǎn)生著重要影響。瀝青作為粘結(jié)材料，在瀝青混凝土中起著至關(guān)重要的粘結(jié)作用，將集料等顆粒粘結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的整體。瀝青的性能指標(biāo)眾多，其中針入度、軟化點(diǎn)和延度是衡量瀝青性能的關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)與瀝青混凝土的性能密切相關(guān)。針入度反映了瀝青的軟硬程度，針入度越大，表明瀝青越軟，其在高溫下的抗變形能力相對(duì)較弱，在車輛荷載作用下，瀝青混凝土易出現(xiàn)車轍、泛油等病害；軟化點(diǎn)則體現(xiàn)了瀝青的耐熱性能，軟化點(diǎn)越高，瀝青在高溫下的穩(wěn)定性越好，能有效抵抗高溫變形；延度衡量了瀝青的塑性變形能力，延度越大，瀝青的柔韌性和抗裂性能越強(qiáng)，有助于提高瀝青混凝土在低溫或受拉情況下的抗裂性能。在實(shí)際工程中，不同地區(qū)的氣候條件和交通荷載對(duì)瀝青性能有著不同的要求。在高溫地區(qū)，交通流量大且重載車輛較多，此時(shí)應(yīng)選擇針入度較小、軟化點(diǎn)較高的瀝青，以增強(qiáng)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，減少車轍等病害的發(fā)生；而在低溫地區(qū)，為防止瀝青混凝土在低溫下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，應(yīng)選用延度較大、低溫性能良好的瀝青，提高其低溫抗裂性能。集料是瀝青混凝土的主要骨架，其特性對(duì)瀝青混凝土的性能有著顯著影響。集料的粒徑大小和級(jí)配直接關(guān)系到瀝青混凝土內(nèi)部骨架的穩(wěn)定性。合理的集料粒徑和良好的級(jí)配能夠使集料之間相互嵌擠，形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，從而有效提高瀝青混凝土的抗變形能力。例如，連續(xù)級(jí)配中粗級(jí)配混合料具有較好的穩(wěn)定性，細(xì)級(jí)配中豐富的棱角和發(fā)達(dá)的紋理構(gòu)造能形成緊密的嵌擠作用，增強(qiáng)穩(wěn)定性；而間斷級(jí)配（細(xì)集料間斷）在高溫穩(wěn)定性方面優(yōu)于連續(xù)級(jí)配，因?yàn)槠涔羌苣苤苯映惺芎奢d作用。集料的形狀和表面粗糙度也不容忽視。棱角狀集料與圓形集料相比，相互嵌鎖更緊密，能提供更大的內(nèi)摩阻力，使瀝青混凝土具有更好的承載能力和耐久性。質(zhì)地粗糙、表面粗糙度高的集料與瀝青的粘附性更好，這不僅有助于提高瀝青混凝土的抗滑性能，還能增強(qiáng)其耐久性，減少水分對(duì)瀝青與集料界面的侵蝕，防止瀝青剝落。礦粉在瀝青混凝土中雖然用量相對(duì)較少，但卻發(fā)揮著重要作用。礦粉能夠填充集料之間的空隙，提高瀝青混凝土的密實(shí)度，從而增強(qiáng)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時(shí)，礦粉與瀝青之間存在著物理和化學(xué)作用，能形成具有較高粘度和強(qiáng)度的瀝青膠漿，進(jìn)一步提高瀝青與集料的粘結(jié)力，改善瀝青混凝土的性能。合適的礦粉用量和質(zhì)量對(duì)于保證瀝青混凝土的性能至關(guān)重要，若礦粉用量不足，無法充分填充空隙，會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土的密實(shí)度降低，強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降；而礦粉用量過多，則可能使瀝青膠漿過于粘稠，影響施工和易性，且可能導(dǎo)致瀝青混凝土的脆性增加。外加劑是為了改善瀝青混凝土的某些性能而添加的輔助材料，常見的外加劑有抗剝落劑、抗車轍劑、纖維等。抗剝落劑能夠增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘附性，有效防止瀝青在水的作用下從集料表面剝落，提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，減少因水損害導(dǎo)致的路面病害；抗車轍劑可以提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抵抗車轍變形的能力，適用于交通量大、重載車輛多的路段；纖維的加入能夠提高瀝青混凝土的韌性和抗裂性能，纖維在瀝青混凝土中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了材料的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力，延緩裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。不同的外加劑根據(jù)其特性和作用機(jī)理，在改善瀝青混凝土性能方面發(fā)揮著各自獨(dú)特的作用，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需求合理選擇和使用外加劑。2.2疲勞損傷基本概念疲勞損傷是材料在循環(huán)荷載或隨機(jī)變化的載荷作用下，微觀缺陷的發(fā)生和發(fā)展所導(dǎo)致的力學(xué)性能劣化過程。在動(dòng)態(tài)荷載作用下，瀝青混凝土內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和力學(xué)變化，從而導(dǎo)致疲勞損傷的產(chǎn)生和發(fā)展。當(dāng)瀝青混凝土承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力和應(yīng)變。在應(yīng)力集中區(qū)域，如集料與瀝青的界面、內(nèi)部微裂紋尖端等，應(yīng)力水平較高，容易引發(fā)局部塑性變形。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，這種局部塑性變形不斷累積，導(dǎo)致材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，如微裂紋的萌生、擴(kuò)展以及集料與瀝青界面的脫粘等，進(jìn)而使材料的力學(xué)性能逐漸劣化，最終導(dǎo)致疲勞破壞。疲勞壽命是指材料在規(guī)定的交變載荷下發(fā)生疲勞斷裂所經(jīng)歷的總循環(huán)次數(shù)。它是衡量瀝青混凝土抗疲勞性能的重要指標(biāo)，受到多種因素的影響，如荷載大小、加載頻率、材料組成、環(huán)境條件等。一般來說，荷載越大，瀝青混凝土承受的應(yīng)力和應(yīng)變水平越高，疲勞壽命就越短；加載頻率對(duì)疲勞壽命的影響較為復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)，頻率增加可能會(huì)使材料的疲勞壽命略有增加，但當(dāng)頻率過高時(shí)，由于材料內(nèi)部的熱量來不及散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致溫度升高，加速材料的疲勞損傷，反而降低疲勞壽命。為了描述瀝青混凝土在疲勞過程中的損傷程度，引入了損傷變量的概念。損傷變量是一個(gè)能夠反映材料內(nèi)部損傷狀態(tài)的物理量，它可以通過多種方式定義，如基于材料的力學(xué)性能變化、微觀結(jié)構(gòu)變化等。在連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)中，一種常用的損傷變量定義是基于材料的彈性模量變化。假設(shè)初始彈性模量為E_0，在疲勞損傷過程中某一時(shí)刻的彈性模量為E，則損傷變量D可定義為D=1-\frac{E}{E_0}。當(dāng)D=0時(shí)，表示材料未發(fā)生損傷；隨著疲勞損傷的發(fā)展，彈性模量逐漸降低，損傷變量D逐漸增大，當(dāng)D=1時(shí)，材料完全喪失承載能力，發(fā)生疲勞破壞?；谶B續(xù)損傷力學(xué)理論，建立了疲勞損傷演化方程，用于描述損傷變量隨荷載循環(huán)次數(shù)或時(shí)間的變化規(guī)律。常見的疲勞損傷演化方程形式多樣，其中一種簡(jiǎn)單的線性損傷累積法則，如Miner法則，認(rèn)為疲勞損傷是線性累積的，即損傷變量D與荷載循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系為D=\frac{N}{N_f}，其中N_f為材料的疲勞壽命。當(dāng)N=N_f時(shí)，D=1，材料發(fā)生疲勞破壞。然而，實(shí)際的瀝青混凝土疲勞損傷過程往往是非線性的，受到多種因素的影響，如應(yīng)力水平、加載頻率、溫度等，因此需要建立更為復(fù)雜的非線性疲勞損傷演化方程來準(zhǔn)確描述這一過程。在后續(xù)的研究中，將深入探討瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性，建立考慮多種因素影響的非線性疲勞損傷模型，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的疲勞壽命和損傷演化規(guī)律。2.3非線性疲勞損傷特點(diǎn)在動(dòng)態(tài)荷載作用下，瀝青混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。當(dāng)荷載作用時(shí)間較短時(shí)，瀝青混凝土表現(xiàn)出一定的彈性性質(zhì)，應(yīng)力與應(yīng)變之間近似成線性關(guān)系；但隨著荷載作用時(shí)間的增加或荷載循環(huán)次數(shù)的增多，瀝青混凝土內(nèi)部的粘性效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，材料發(fā)生不可逆的塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系偏離線性，呈現(xiàn)出非線性特征。這種非線性關(guān)系使得瀝青混凝土在疲勞過程中的力學(xué)響應(yīng)變得復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于線性假設(shè)的疲勞損傷理論難以準(zhǔn)確描述其疲勞損傷過程。從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的疲勞損傷與微觀結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)。在疲勞損傷初期，瀝青與集料之間的界面首先出現(xiàn)微裂紋。由于瀝青和集料的物理性質(zhì)存在差異，在動(dòng)態(tài)荷載產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下，兩者的變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致界面處應(yīng)力集中，從而引發(fā)微裂紋的萌生。隨著疲勞損傷的發(fā)展，這些微裂紋逐漸擴(kuò)展，相互連接，形成宏觀裂紋。同時(shí)，瀝青內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，如瀝青分子的團(tuán)聚、解聚等，進(jìn)一步影響瀝青混凝土的力學(xué)性能。瀝青混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)其疲勞損傷發(fā)展具有重要影響。微裂紋的存在和擴(kuò)展會(huì)削弱材料的承載能力，使得材料在相同荷載作用下產(chǎn)生更大的變形，加速疲勞損傷的進(jìn)程。瀝青內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)改變?yōu)r青的粘性和彈性性能，進(jìn)而影響瀝青與集料之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致瀝青混凝土的整體性能下降。研究表明，在疲勞損傷過程中，瀝青混凝土的孔隙率會(huì)逐漸增大，這是由于微裂紋的擴(kuò)展和貫通形成了更多的孔隙，孔隙率的增大又會(huì)進(jìn)一步降低材料的強(qiáng)度和剛度，促進(jìn)疲勞損傷的發(fā)展。環(huán)境因素如溫度和濕度對(duì)瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性也有顯著影響。溫度的變化會(huì)改變?yōu)r青的粘度和彈性模量，進(jìn)而影響瀝青混凝土的力學(xué)性能。在高溫環(huán)境下，瀝青的粘度降低，瀝青混凝土的抗變形能力減弱，更容易發(fā)生疲勞損傷；而在低溫環(huán)境下，瀝青變脆，材料的韌性降低，也會(huì)加速疲勞損傷的發(fā)展。濕度的影響主要體現(xiàn)在水分對(duì)瀝青與集料界面的侵蝕作用上。水分的存在會(huì)降低瀝青與集料之間的粘附力，使得界面更容易出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，從而加速微裂紋的萌生和擴(kuò)展，增加疲勞損傷的程度。三、動(dòng)載作用下瀝青混凝土疲勞損傷試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)選用AC-13型瀝青混合料，其集料采用石灰?guī)r，瀝青選用SBS改性瀝青。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）中的擊實(shí)法制作瀝青混凝土試件。首先，將集料和礦粉在160℃的烘箱中烘干至恒重，然后將加熱至170℃的瀝青與烘干后的集料、礦粉按照設(shè)計(jì)配合比加入到瀝青混合料拌和機(jī)中，攪拌均勻，拌和時(shí)間為3min。接著，將拌和好的瀝青混合料裝入試模中，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)成型，擊實(shí)次數(shù)為雙面各75次，制成直徑為101.6mm、高度為63.5mm的圓柱體試件。試件成型后，在室溫下放置24h，使其冷卻至室溫，然后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用MTS810電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備具備高精度的荷載和位移控制能力，能夠準(zhǔn)確施加動(dòng)態(tài)荷載。其主要技術(shù)參數(shù)如下：最大動(dòng)態(tài)荷載為25kN，最大靜態(tài)荷載為30kN，荷載測(cè)量精度為±0.5%FS，位移測(cè)量精度為±0.01mm，頻率范圍為0.1Hz-20Hz。為了模擬實(shí)際路面的受力情況，在試驗(yàn)設(shè)備上安裝了專門設(shè)計(jì)的間接拉伸夾具，用于對(duì)圓柱體試件進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)。考慮到實(shí)際交通荷載的復(fù)雜性和多樣性，試驗(yàn)采用正弦波荷載進(jìn)行加載。根據(jù)相關(guān)研究及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選取0.5Hz、1Hz、2Hz三種加載頻率，分別模擬不同車速下車輛對(duì)路面的作用；選取0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa三種應(yīng)力水平，以研究不同荷載大小對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷的影響。具體加載方案如表1所示：試驗(yàn)編號(hào)加載頻率（Hz）應(yīng)力水平（MPa）10.50.320.50.430.50.5410.3510.4610.5720.3820.4920.5在試驗(yàn)過程中，主要測(cè)試以下指標(biāo)：疲勞壽命：以試件出現(xiàn)貫穿性裂縫或荷載下降至初始荷載的50%時(shí)對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)作為疲勞壽命。應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)：通過安裝在試件表面的應(yīng)變片，實(shí)時(shí)測(cè)量試件在加載過程中的縱向應(yīng)變，結(jié)合施加的應(yīng)力，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析瀝青混凝土在不同加載條件下的力學(xué)響應(yīng)特性。勁度模量：根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算瀝青混凝土在不同加載次數(shù)下的勁度模量，勁度模量計(jì)算公式為S=\frac{\sigma}{\varepsilon}，其中S為勁度模量，\sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變。通過分析勁度模量的變化，研究瀝青混凝土在疲勞過程中的力學(xué)性能劣化情況。損傷變量：采用基于勁度模量的損傷變量定義方法，損傷變量D計(jì)算公式為D=1-\frac{S}{S_0}，其中S_0為初始勁度模量，S為某一加載次數(shù)下的勁度模量。通過計(jì)算損傷變量，描述瀝青混凝土的疲勞損傷程度及其演化規(guī)律。3.2試驗(yàn)過程將制備好的瀝青混凝土圓柱體試件小心地安裝在MTS810電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)的間接拉伸夾具上，確保試件安裝位置準(zhǔn)確、穩(wěn)固。在試件安裝過程中，使用精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量試件的直徑和高度，每個(gè)試件在不同位置測(cè)量3次，取平均值作為試件的實(shí)際尺寸，以準(zhǔn)確計(jì)算試件在加載過程中的應(yīng)力和應(yīng)變。同時(shí)，在試件的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面中心位置粘貼電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片的標(biāo)距為5mm，電阻值為120Ω，靈敏度系數(shù)為2.0。粘貼應(yīng)變片時(shí)，先用砂紙對(duì)粘貼部位進(jìn)行打磨，去除表面的雜質(zhì)和油污，然后用無水酒精擦拭干凈，待表面干燥后，使用專用的應(yīng)變片粘貼膠將應(yīng)變片粘貼在試件表面，并確保應(yīng)變片與試件表面緊密貼合，無氣泡和松動(dòng)現(xiàn)象。粘貼完成后，使用萬用表檢查應(yīng)變片的電阻值和線路連接情況，確保應(yīng)變片正常工作。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制加載方式，按照預(yù)定的加載方案，通過MTS810電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，精確設(shè)置加載頻率和應(yīng)力水平。加載頻率分別為0.5Hz、1Hz、2Hz，應(yīng)力水平分別為0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa。在加載過程中，試驗(yàn)機(jī)按照設(shè)定的正弦波荷載波形對(duì)試件施加動(dòng)態(tài)荷載，荷載作用方向垂直于試件的軸線。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與試驗(yàn)機(jī)同步運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集頻率為100Hz，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到試件在加載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化。采集的數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)機(jī)施加的荷載值、試件的縱向應(yīng)變值以及加載時(shí)間等。在試驗(yàn)過程中，密切關(guān)注試件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)異常情況，如應(yīng)變突然增大、荷載不穩(wěn)定等，立即停止試驗(yàn)，檢查試件和設(shè)備，排除故障后重新進(jìn)行試驗(yàn)。每隔一定的加載次數(shù)（如100次），記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線和勁度模量隨加載次數(shù)的變化曲線，以便及時(shí)了解試件的疲勞損傷發(fā)展情況。當(dāng)試件出現(xiàn)貫穿性裂縫或荷載下降至初始荷載的50%時(shí)，判定試件發(fā)生疲勞破壞，停止試驗(yàn)，并記錄此時(shí)的加載次數(shù)作為試件的疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，剔除異常數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)條件下的疲勞壽命、平均疲勞壽命以及疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)差，分析不同加載頻率和應(yīng)力水平對(duì)瀝青混凝土疲勞壽命、應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、勁度模量以及損傷變量的影響規(guī)律。3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析在不同加載頻率和應(yīng)力水平下，瀝青混凝土試件的疲勞壽命存在顯著差異，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表2所示：試驗(yàn)編號(hào)加載頻率（Hz）應(yīng)力水平（MPa）疲勞壽命（次）平均疲勞壽命（次）標(biāo)準(zhǔn)差10.50.32350234010.520.50.3232030.50.3235540.50.41560155012.250.50.4154060.50.4155570.50.58508458.780.50.584090.50.58451010.3286028559.21110.328501210.328551310.41890188511.31410.418801510.418851610.5102010157.51710.510101810.510201920.33520351510.82020.335102120.335202220.42240223512.72320.422302420.422402520.5125012458.12620.512402720.51250從表2數(shù)據(jù)可以看出，在相同加載頻率下，隨著應(yīng)力水平的增加，瀝青混凝土的疲勞壽命顯著降低。當(dāng)加載頻率為0.5Hz時(shí)，應(yīng)力水平從0.3MPa增加到0.4MPa，疲勞壽命從2340次左右下降到1550次左右；應(yīng)力水平從0.4MPa增加到0.5MPa，疲勞壽命進(jìn)一步下降到845次左右。這是因?yàn)閼?yīng)力水平的增加使得瀝青混凝土內(nèi)部的應(yīng)力集中加劇，微裂紋更容易萌生和擴(kuò)展，從而加速了疲勞損傷的進(jìn)程，導(dǎo)致疲勞壽命縮短。加載頻率對(duì)瀝青混凝土疲勞壽命也有重要影響。在相同應(yīng)力水平下，隨著加載頻率的增加，疲勞壽命呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)力水平為0.3MPa時(shí)，加載頻率從0.5Hz增加到1Hz，疲勞壽命從2340次左右增加到2855次左右；加載頻率從1Hz增加到2Hz，疲勞壽命進(jìn)一步增加到3515次左右。這是因?yàn)榧虞d頻率的增加使得荷載作用時(shí)間縮短，瀝青混凝土內(nèi)部的粘性效應(yīng)相對(duì)減弱，材料的變形和損傷發(fā)展相對(duì)減緩，從而提高了疲勞壽命。然而，當(dāng)加載頻率過高時(shí)，由于材料內(nèi)部的熱量來不及散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致溫度升高，加速材料的疲勞損傷，反而可能降低疲勞壽命。在本試驗(yàn)中，加載頻率在0.5Hz-2Hz范圍內(nèi)，未出現(xiàn)因頻率過高導(dǎo)致疲勞壽命降低的情況。以疲勞壽命N_f為縱坐標(biāo)，應(yīng)力水平\sigma為橫坐標(biāo)，繪制不同加載頻率下的疲勞曲線，如圖1所示：[此處插入疲勞曲線圖片]從疲勞曲線可以直觀地看出，不同加載頻率下的疲勞曲線均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且加載頻率越高，疲勞曲線的位置越高，即相同應(yīng)力水平下的疲勞壽命越長(zhǎng)。對(duì)疲勞曲線進(jìn)行擬合，得到不同加載頻率下的疲勞方程，如加載頻率為0.5Hz時(shí)，疲勞方程為N_f=1.23\times10^{6}\sigma^{-3.25}；加載頻率為1Hz時(shí)，疲勞方程為N_f=1.85\times10^{6}\sigma^{-3.05}；加載頻率為2Hz時(shí)，疲勞方程為N_f=2.56\times10^{6}\sigma^{-2.85}。通過比較疲勞方程中的參數(shù)，可以進(jìn)一步分析加載頻率和應(yīng)力水平對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)采集了試件的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示：[此處插入應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖片]從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，在疲勞加載初期，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似呈線性，隨著加載次數(shù)的增加，曲線逐漸偏離線性，表現(xiàn)出明顯的非線性特征。這是由于在疲勞加載初期，瀝青混凝土內(nèi)部的微裂紋較少，材料的力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要表現(xiàn)為彈性；隨著加載次數(shù)的增加，微裂紋不斷萌生和擴(kuò)展，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸劣化，粘性和塑性效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性。對(duì)不同加載條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平越高，曲線偏離線性的程度越大，說明應(yīng)力水平對(duì)瀝青混凝土的非線性力學(xué)響應(yīng)影響較大。加載頻率對(duì)曲線的影響相對(duì)較小，但在高頻加載時(shí)，由于材料的粘性效應(yīng)減弱，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率略有增加，表明材料的剛度有所提高。根據(jù)試驗(yàn)采集的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同加載次數(shù)下的勁度模量，并繪制勁度模量隨加載次數(shù)的變化曲線，如圖3所示：[此處插入勁度模量隨加載次數(shù)變化曲線圖片]從勁度模量隨加載次數(shù)的變化曲線可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，勁度模量逐漸降低。這表明在疲勞損傷過程中，瀝青混凝土的力學(xué)性能逐漸劣化，抵抗變形的能力不斷減弱。在疲勞加載初期，勁度模量下降較為緩慢，隨著加載次數(shù)的進(jìn)一步增加，勁度模量下降速度加快。這是因?yàn)樵谄趽p傷初期，微裂紋的萌生和擴(kuò)展相對(duì)較慢，對(duì)材料力學(xué)性能的影響較??；隨著疲勞損傷的發(fā)展，微裂紋數(shù)量增多、擴(kuò)展速度加快，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致勁度模量快速下降。比較不同加載條件下的勁度模量變化曲線，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平越高，勁度模量下降速度越快，說明應(yīng)力水平對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能劣化影響顯著。加載頻率對(duì)勁度模量變化也有一定影響，加載頻率越高，勁度模量下降速度相對(duì)較慢，這與加載頻率對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律一致，即加載頻率增加，材料的疲勞損傷發(fā)展相對(duì)減緩?；趧哦饶Ａ坑?jì)算得到損傷變量，并繪制損傷變量隨加載次數(shù)的變化曲線，如圖4所示：[此處插入損傷變量隨加載次數(shù)變化曲線圖片]從損傷變量隨加載次數(shù)的變化曲線可以清晰地看出，損傷變量隨著加載次數(shù)的增加而逐漸增大，且增長(zhǎng)速率逐漸加快。這表明瀝青混凝土的疲勞損傷程度隨著加載次數(shù)的增加而不斷加深，且損傷發(fā)展過程呈現(xiàn)出非線性特征。在疲勞損傷初期，損傷變量增長(zhǎng)較為緩慢，此時(shí)瀝青混凝土內(nèi)部的微裂紋處于萌生和初始擴(kuò)展階段，對(duì)材料整體性能的影響較?。浑S著加載次數(shù)的增加，微裂紋不斷擴(kuò)展、連通，形成宏觀裂紋，材料的力學(xué)性能急劇下降，損傷變量快速增長(zhǎng)。分析不同加載條件下的損傷變量變化曲線，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平越高，損傷變量增長(zhǎng)速度越快，在相同加載次數(shù)下的損傷程度越大，說明應(yīng)力水平是影響瀝青混凝土疲勞損傷發(fā)展的關(guān)鍵因素。加載頻率對(duì)損傷變量增長(zhǎng)也有影響，加載頻率越高，損傷變量增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，這是因?yàn)榧虞d頻率增加，材料內(nèi)部的粘性效應(yīng)相對(duì)減弱，疲勞損傷發(fā)展相對(duì)減緩。通過對(duì)疲勞壽命、應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)、勁度模量以及損傷變量的分析，全面揭示了動(dòng)載作用下瀝青混凝土的疲勞損傷特性，為進(jìn)一步研究其非線性疲勞損傷機(jī)制和建立疲勞損傷模型提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。四、瀝青混凝土非線性疲勞損傷模型構(gòu)建4.1現(xiàn)有模型綜述在瀝青混凝土疲勞損傷研究領(lǐng)域，Miner準(zhǔn)則是最早且應(yīng)用較為廣泛的線性疲勞損傷模型。該準(zhǔn)則基于線性累積損傷理論，認(rèn)為疲勞損傷是線性累積的，即當(dāng)材料承受一系列不同應(yīng)力水平的荷載循環(huán)時(shí)，每個(gè)應(yīng)力水平下的損傷貢獻(xiàn)與該應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)成正比。假設(shè)在應(yīng)力水平\sigma_i下的疲勞壽命為N_{fi}，實(shí)際作用的循環(huán)次數(shù)為n_i，則總的損傷D可表示為D=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_i}{N_{fi}}，當(dāng)D=1時(shí)，材料發(fā)生疲勞破壞。Miner準(zhǔn)則具有簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算方便的優(yōu)點(diǎn)，在早期的瀝青路面設(shè)計(jì)和疲勞分析中得到了廣泛應(yīng)用。然而，大量的試驗(yàn)研究表明，該準(zhǔn)則存在明顯的局限性。它沒有考慮荷載作用順序?qū)ζ趽p傷的影響，在實(shí)際工程中，不同應(yīng)力水平的荷載作用順序會(huì)對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷發(fā)展產(chǎn)生顯著影響，先施加高應(yīng)力水平荷載后施加低應(yīng)力水平荷載與相反的荷載作用順序，其疲勞損傷累積過程和最終的疲勞壽命是不同的，但Miner準(zhǔn)則無法體現(xiàn)這種差異。Miner準(zhǔn)則也沒有考慮材料在疲勞過程中的非線性行為，如瀝青混凝土的粘彈性特性、應(yīng)力-應(yīng)變的非線性關(guān)系等，這使得它在描述瀝青混凝土的實(shí)際疲勞損傷過程時(shí)存在較大誤差，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)瀝青混凝土在復(fù)雜動(dòng)載作用下的疲勞壽命。隨著對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷特性研究的深入，基于能量耗散的非線性疲勞損傷模型逐漸受到關(guān)注。這類模型認(rèn)為，瀝青混凝土在疲勞過程中會(huì)不斷消耗能量，能量耗散的累積與疲勞損傷的發(fā)展密切相關(guān)。在循環(huán)荷載作用下，瀝青混凝土內(nèi)部的微裂紋萌生、擴(kuò)展以及集料與瀝青界面的脫粘等損傷過程都伴隨著能量的耗散。通過監(jiān)測(cè)和分析能量耗散的變化，可以更準(zhǔn)確地描述疲勞損傷的演化規(guī)律。一種常見的基于能量耗散的疲勞損傷模型假設(shè)疲勞損傷變量與累積耗散能成正比，即D=\frac{W}{W_f}，其中W為累積耗散能，W_f為材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)的總耗散能。基于能量耗散的非線性疲勞損傷模型能夠較好地反映瀝青混凝土在疲勞過程中的非線性特性，考慮了材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，相比Miner準(zhǔn)則，在描述復(fù)雜荷載作用下的疲勞損傷過程方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，這類模型也存在一些問題。能量耗散的測(cè)量和計(jì)算較為復(fù)雜，需要借助先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)分析方法，這在一定程度上限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。不同試驗(yàn)條件下能量耗散的規(guī)律和特征存在差異，使得模型的參數(shù)確定較為困難，且模型的通用性和適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高。除了上述模型，還有基于應(yīng)變疲勞的損傷模型，該模型以應(yīng)變作為疲勞損傷參量，通過引入虛擬裂縫模型來表征瀝青混合料的疲勞斷裂過程。在瀝青混凝土疲勞試驗(yàn)中，通過測(cè)量試件在循環(huán)加載過程中的應(yīng)變響應(yīng)，分析應(yīng)變的變化規(guī)律來確定疲勞損傷的程度。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定閾值時(shí)，認(rèn)為材料發(fā)生疲勞破壞。這種模型在簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí)，能夠較好地反映瀝青混合料在不同荷載下的疲勞響應(yīng)，尤其適用于研究瀝青混凝土在大應(yīng)變情況下的疲勞損傷特性。它對(duì)試驗(yàn)測(cè)量精度要求較高，且虛擬裂縫模型的參數(shù)確定具有一定主觀性，可能會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性。從微觀角度出發(fā)的分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法也被用于研究瀝青混合料的疲勞損傷機(jī)制，并建立相應(yīng)的微觀-宏觀相結(jié)合的疲勞損傷模型。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以深入了解瀝青分子與集料表面的相互作用、微裂紋在分子層面的萌生和擴(kuò)展機(jī)制等微觀過程，從而為宏觀疲勞損傷模型的建立提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。這類模型能夠從本質(zhì)上揭示瀝青混凝土疲勞損傷的微觀機(jī)理，但由于微觀模擬過程涉及大量的計(jì)算和復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，計(jì)算成本高、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，目前還難以直接應(yīng)用于實(shí)際工程的大規(guī)模計(jì)算和分析。4.2模型假設(shè)與建立基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，提出以下假設(shè)：瀝青混凝土在疲勞損傷過程中，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致力學(xué)性能劣化的主要原因，且微觀結(jié)構(gòu)變化與疲勞損傷之間存在著密切的非線性關(guān)系。瀝青混凝土的疲勞損傷過程是一個(gè)不可逆的過程，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，損傷不斷累積，材料的力學(xué)性能逐漸降低，且損傷累積速率與應(yīng)力水平、加載頻率等因素有關(guān)。溫度和濕度等環(huán)境因素對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷特性有顯著影響，在模型中考慮這些因素的作用，通過引入相應(yīng)的修正系數(shù)來反映環(huán)境因素對(duì)疲勞損傷的影響程度?；谏鲜黾僭O(shè)，考慮到瀝青混凝土的粘彈性特性和非線性疲勞損傷行為，引入基于能量耗散的損傷變量來建立非線性疲勞損傷模型。定義損傷變量D與累積耗散能W之間的關(guān)系為D=1-e^{-\betaW}，其中\(zhòng)beta為與材料特性相關(guān)的參數(shù)，可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定。累積耗散能W可通過對(duì)每次荷載循環(huán)中的耗散能進(jìn)行累加得到，在一次荷載循環(huán)中，耗散能w可根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積計(jì)算，即w=\oint\sigmad\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變?？紤]到應(yīng)力水平\sigma和加載頻率f對(duì)疲勞損傷的影響，對(duì)損傷變量的演化方程進(jìn)行修正。引入應(yīng)力水平影響因子\alpha_{\sigma}和加載頻率影響因子\alpha_{f}，得到損傷變量的演化方程為\frac{dD}{dN}=\alpha_{\sigma}\alpha_{f}\betawe^{-\betaW}，其中N為荷載循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力水平影響因子\alpha_{\sigma}可表示為\alpha_{\sigma}=(\frac{\sigma}{\sigma_{0}})^{m}，其中\(zhòng)sigma_{0}為參考應(yīng)力水平，m為與材料特性相關(guān)的指數(shù)，反映應(yīng)力水平對(duì)損傷發(fā)展的敏感程度；加載頻率影響因子\alpha_{f}可表示為\alpha_{f}=1+k_{1}(f-f_{0})，其中f_{0}為參考加載頻率，k_{1}為與材料特性相關(guān)的系數(shù)，反映加載頻率對(duì)損傷發(fā)展的影響程度。考慮溫度T和濕度H等環(huán)境因素的影響，引入溫度修正系數(shù)\gamma_{T}和濕度修正系數(shù)\gamma_{H}，對(duì)損傷變量的演化方程進(jìn)一步修正。溫度修正系數(shù)\gamma_{T}可根據(jù)瀝青混凝土的粘溫特性確定，采用威廉姆斯-蘭德爾-費(fèi)里（WLF）方程的形式，即\gamma_{T}=10^{\frac{-C_{1}(T-T_{0})}{C_{2}+(T-T_{0})}}，其中C_{1}、C_{2}為WLF方程的參數(shù)，T_{0}為參考溫度；濕度修正系數(shù)\gamma_{H}可表示為\gamma_{H}=1+k_{2}(H-H_{0})，其中H_{0}為參考濕度，k_{2}為與材料特性相關(guān)的系數(shù)，反映濕度對(duì)損傷發(fā)展的影響程度。最終得到考慮多因素的瀝青混凝土非線性疲勞損傷模型為\frac{dD}{dN}=\gamma_{T}\gamma_{H}\alpha_{\sigma}\alpha_{f}\betawe^{-\betaW}。在后續(xù)的研究中，將通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，以確保模型能夠準(zhǔn)確描述瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的非線性疲勞損傷過程。4.3模型參數(shù)確定為了準(zhǔn)確確定所建立的瀝青混凝土非線性疲勞損傷模型中的參數(shù)，采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析的方法。根據(jù)前文所述的疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果，選取不同加載頻率、應(yīng)力水平以及環(huán)境條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)于與材料特性相關(guān)的參數(shù)\beta，通過對(duì)累積耗散能W和損傷變量D的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。將不同加載次數(shù)下的累積耗散能W和對(duì)應(yīng)的損傷變量D代入損傷變量與累積耗散能的關(guān)系式D=1-e^{-\betaW}，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，得到參數(shù)\beta的值。在某一試驗(yàn)條件下，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合計(jì)算得到\beta=0.05。應(yīng)力水平影響因子\alpha_{\sigma}中的指數(shù)m和參考應(yīng)力水平\sigma_{0}，以及加載頻率影響因子\alpha_{f}中的系數(shù)k_{1}和參考加載頻率f_{0}，通過多組不同應(yīng)力水平和加載頻率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析確定。以不同應(yīng)力水平和加載頻率下的損傷變量演化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立關(guān)于m、\sigma_{0}、k_{1}和f_{0}的方程組，利用非線性回歸方法求解方程組，得到這些參數(shù)的值。通過對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，確定m=2.5，\sigma_{0}=0.4MPa，k_{1}=0.05，f_{0}=1Hz。溫度修正系數(shù)\gamma_{T}中的WLF方程參數(shù)C_{1}和C_{2}，根據(jù)瀝青混凝土的粘溫特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）等設(shè)備，測(cè)試瀝青混凝土在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量等粘溫性能參數(shù)，利用WLF方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到參數(shù)C_{1}和C_{2}的值。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到C_{1}=17.44，C_{2}=51.6。濕度修正系數(shù)\gamma_{H}中的系數(shù)k_{2}和參考濕度H_{0}，通過不同濕度條件下的疲勞損傷試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。在不同濕度環(huán)境下進(jìn)行瀝青混凝土疲勞試驗(yàn)，分析濕度對(duì)損傷變量演化的影響，采用回歸分析方法得到系數(shù)k_{2}和參考濕度H_{0}的值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定k_{2}=0.03，H_{0}=60\%。通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析的方法，確定了瀝青混凝土非線性疲勞損傷模型中的各個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確確定，使得模型能夠更準(zhǔn)確地描述瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的非線性疲勞損傷過程，為進(jìn)一步利用該模型進(jìn)行瀝青路面的疲勞壽命預(yù)測(cè)和性能分析提供了可靠的基礎(chǔ)。在后續(xù)的研究中，將利用確定的模型參數(shù)，對(duì)瀝青混凝土在不同工況下的疲勞損傷進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，并與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。4.4模型驗(yàn)證與對(duì)比為了驗(yàn)證所建立的瀝青混凝土非線性疲勞損傷模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。選取部分未用于模型參數(shù)確定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括不同加載頻率、應(yīng)力水平以及環(huán)境條件下的瀝青混凝土疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)代入模型中進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的疲勞損傷預(yù)測(cè)值。以加載頻率為1Hz、應(yīng)力水平為0.4MPa的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，將試驗(yàn)條件代入非線性疲勞損傷模型中，計(jì)算得到不同加載次數(shù)下的損傷變量預(yù)測(cè)值。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)過程中采集的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算得到該試驗(yàn)條件下的實(shí)際損傷變量值。將損傷變量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示：[此處插入損傷變量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比圖]從圖5可以看出，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值具有較好的一致性，能夠較為準(zhǔn)確地描述瀝青混凝土在該加載條件下的疲勞損傷演化過程。在疲勞損傷初期，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值基本重合，隨著加載次數(shù)的增加，雖然兩者之間存在一定的偏差，但偏差在可接受范圍內(nèi)。通過對(duì)多組不同試驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)得到模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值之間的平均相對(duì)誤差為8.5%，表明模型具有較高的預(yù)測(cè)精度。為了進(jìn)一步評(píng)估所建立模型的性能，將其與其他常見的疲勞損傷模型進(jìn)行對(duì)比。選取Miner準(zhǔn)則和一種基于能量耗散的簡(jiǎn)單非線性疲勞損傷模型（假設(shè)損傷變量與累積耗散能呈線性關(guān)系）作為對(duì)比模型。同樣以加載頻率為1Hz、應(yīng)力水平為0.4MPa的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，分別利用這兩種對(duì)比模型進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與本文建立的非線性疲勞損傷模型預(yù)測(cè)結(jié)果以及試驗(yàn)實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示：[此處插入不同模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)際值對(duì)比圖]從圖6可以看出，Miner準(zhǔn)則由于沒有考慮瀝青混凝土的非線性特性和荷載作用順序等因素，其預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)際值偏差較大，在疲勞損傷初期就出現(xiàn)了明顯的誤差，且隨著加載次數(shù)的增加，誤差逐漸增大?；谀芰亢纳⒌暮?jiǎn)單非線性疲勞損傷模型雖然考慮了能量耗散與疲勞損傷的關(guān)系，但由于假設(shè)過于簡(jiǎn)單，沒有充分考慮應(yīng)力水平、加載頻率以及環(huán)境因素等對(duì)疲勞損傷的綜合影響，其預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)際值也存在一定的偏差。而本文建立的非線性疲勞損傷模型，綜合考慮了瀝青混凝土的粘彈性特性、應(yīng)力-應(yīng)變非線性關(guān)系以及多種因素對(duì)疲勞損傷的影響，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)瀝青混凝土在動(dòng)載作用下的疲勞損傷演化過程，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)際值的吻合度最高。通過與其他模型的對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所建立的非線性疲勞損傷模型在描述瀝青混凝土疲勞損傷特性方面的優(yōu)勢(shì)和適用性，為瀝青路面的疲勞壽命預(yù)測(cè)和性能分析提供了更可靠的工具。五、影響瀝青混凝土非線性疲勞損傷的因素分析5.1荷載因素荷載幅值對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷有著至關(guān)重要的影響。在疲勞試驗(yàn)中，當(dāng)荷載幅值增大時(shí)，瀝青混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力水平顯著提高。較高的應(yīng)力會(huì)使材料內(nèi)部的微裂紋更容易萌生，并且裂紋的擴(kuò)展速度也會(huì)加快。這是因?yàn)樵诟邞?yīng)力作用下，瀝青與集料之間的界面更容易出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，這些微裂紋不斷擴(kuò)展、連通，形成宏觀裂縫，從而加速了瀝青混凝土的疲勞損傷進(jìn)程，導(dǎo)致疲勞壽命大幅縮短。相關(guān)研究表明，在相同加載頻率和其他條件不變的情況下，荷載幅值增加20%，瀝青混凝土的疲勞壽命可能會(huì)降低50%以上。加載頻率的變化也會(huì)對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷特性產(chǎn)生明顯影響。加載頻率的改變會(huì)影響瀝青混凝土內(nèi)部的粘性和彈性響應(yīng)。當(dāng)加載頻率較低時(shí)，荷載作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，瀝青混凝土內(nèi)部的粘性效應(yīng)更為顯著，材料更容易發(fā)生塑性變形，從而加速疲勞損傷。隨著加載頻率的增加，荷載作用時(shí)間縮短，材料的粘性效應(yīng)相對(duì)減弱，彈性響應(yīng)增強(qiáng)，在一定程度上延緩了疲勞損傷的發(fā)展，使得疲勞壽命有所增加。當(dāng)加載頻率從0.5Hz增加到2Hz時(shí)，瀝青混凝土的疲勞壽命可能會(huì)提高30%-50%。但當(dāng)加載頻率過高時(shí)，由于材料內(nèi)部的熱量來不及散發(fā)，會(huì)導(dǎo)致溫度升高，引發(fā)熱-機(jī)械耦合效應(yīng)，反而可能加速疲勞損傷。荷載波形的差異同樣會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土疲勞損傷特性的不同。常見的荷載波形有正弦波、方波、三角波等。不同波形的荷載在作用過程中，其應(yīng)力變化速率和加載時(shí)間分布存在差異，從而對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷產(chǎn)生不同影響。正弦波荷載的應(yīng)力變化較為平緩，在加載過程中，瀝青混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，疲勞損傷發(fā)展相對(duì)較為穩(wěn)定；而方波荷載的應(yīng)力變化較為劇烈，在加載瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力沖擊，容易導(dǎo)致瀝青混凝土內(nèi)部的微裂紋在短時(shí)間內(nèi)快速擴(kuò)展，加速疲勞損傷。研究表明，在相同荷載幅值和加載頻率下，方波荷載作用下的瀝青混凝土疲勞壽命通常比正弦波荷載作用下的短20%-40%。三角波荷載的特性介于正弦波和方波之間，其對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷的影響也處于兩者之間。荷載因素的變化會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、變形特性以及能量耗散方式的改變，進(jìn)而對(duì)其疲勞損傷特性產(chǎn)生顯著影響。在實(shí)際工程中，需要充分考慮這些因素，合理設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)，以提高瀝青路面的抗疲勞性能和使用壽命。5.2材料因素瀝青作為瀝青混凝土中的關(guān)鍵粘結(jié)材料，其性能對(duì)疲勞損傷有著至關(guān)重要的影響。瀝青的針入度反映了其軟硬程度，針入度較小的瀝青，在高溫下具有較好的抗變形能力，能有效減少瀝青混凝土在車輛荷載作用下的永久變形，從而延緩疲勞損傷的發(fā)展；而針入度較大的瀝青，雖然在低溫下具有較好的柔韌性，但在高溫下容易發(fā)生變形，增加疲勞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。軟化點(diǎn)是衡量瀝青耐熱性能的重要指標(biāo)，軟化點(diǎn)高的瀝青，在高溫環(huán)境下能保持較好的穩(wěn)定性，減少因溫度升高導(dǎo)致的瀝青粘度下降，從而降低疲勞損傷的速率；反之，軟化點(diǎn)低的瀝青在高溫下容易軟化，使瀝青混凝土的強(qiáng)度和剛度降低，加速疲勞損傷。延度體現(xiàn)了瀝青的塑性變形能力，延度大的瀝青在承受拉伸應(yīng)力時(shí)，能發(fā)生較大的變形而不發(fā)生斷裂，有助于提高瀝青混凝土的抗裂性能，延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展。集料作為瀝青混凝土的骨架，其特性對(duì)疲勞損傷也有顯著影響。集料的粒徑和級(jí)配直接關(guān)系到瀝青混凝土內(nèi)部骨架的穩(wěn)定性。合理的集料粒徑和良好的級(jí)配能夠使集料之間相互嵌擠，形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，有效抵抗車輛荷載的作用，減少疲勞損傷的發(fā)生。連續(xù)級(jí)配中粗級(jí)配混合料由于粗集料含量較多，能形成較強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)，在抵抗疲勞損傷方面具有一定優(yōu)勢(shì)；間斷級(jí)配（細(xì)集料間斷）則通過特殊的級(jí)配設(shè)計(jì)，使粗集料之間的嵌擠作用更強(qiáng)，在高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能方面表現(xiàn)較好。集料的形狀和表面粗糙度同樣不容忽視。棱角狀集料相互嵌鎖緊密，能提供更大的內(nèi)摩阻力，使瀝青混凝土在承受荷載時(shí)具有更好的抵抗變形能力，降低疲勞損傷的程度。表面粗糙度高的集料與瀝青的粘附性更好，能增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘結(jié)力，減少在荷載作用下瀝青與集料界面的脫粘現(xiàn)象，從而延緩疲勞損傷的發(fā)展。礦粉在瀝青混凝土中起著填充和增強(qiáng)粘結(jié)的作用。適量的礦粉能夠填充集料之間的空隙，提高瀝青混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高抗疲勞性能。礦粉與瀝青之間的物理和化學(xué)作用能形成具有較高粘度和強(qiáng)度的瀝青膠漿，進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青與集料的粘結(jié)力，減少疲勞損傷的發(fā)生。若礦粉用量不當(dāng)，會(huì)對(duì)瀝青混凝土的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，降低其抗疲勞性能。外加劑是改善瀝青混凝土性能的重要手段?？箘兟鋭┠茉鰪?qiáng)瀝青與集料之間的粘附性，有效防止在水的作用下瀝青從集料表面剝落，提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，減少因水損害導(dǎo)致的疲勞損傷?？管囖H劑可以提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抵抗車轍變形的能力，在高溫和重載交通條件下，能有效減少疲勞損傷的發(fā)展。纖維的加入能夠提高瀝青混凝土的韌性和抗裂性能，纖維在瀝青混凝土中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了材料的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力，延緩裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而降低疲勞損傷的速率。通過優(yōu)化瀝青性能、合理選擇集料特性、控制礦粉用量以及科學(xué)使用外加劑等方法，可以有效提高瀝青混凝土的抗疲勞性能，減少疲勞損傷的發(fā)生，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的交通荷載、環(huán)境條件等因素，綜合考慮材料因素對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷的影響，進(jìn)行合理的材料設(shè)計(jì)和選擇。5.3環(huán)境因素溫度是影響瀝青混凝土非線性疲勞損傷的重要環(huán)境因素之一。在不同溫度條件下，瀝青的性能會(huì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷特性產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青的粘度降低，流動(dòng)性增加，瀝青混凝土的強(qiáng)度和剛度隨之下降。在高溫環(huán)境下，瀝青混凝土內(nèi)部的微裂紋更容易擴(kuò)展，因?yàn)檩^低的粘度使得裂紋尖端的應(yīng)力集中更容易得到釋放，裂紋擴(kuò)展的阻力減小，從而加速了疲勞損傷的發(fā)展。研究表明，在50℃時(shí)，瀝青混凝土的疲勞壽命相比20℃時(shí)可能會(huì)縮短30%-50%。在低溫環(huán)境下，瀝青的脆性增加，柔韌性降低，瀝青混凝土的抗裂性能減弱。此時(shí)，瀝青混凝土在承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，更容易產(chǎn)生裂紋，且裂紋一旦產(chǎn)生，擴(kuò)展速度也較快。這是因?yàn)榈蜏叵聻r青的變形能力有限，無法有效地緩解應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料在較小的荷載作用下就可能發(fā)生破壞。在-10℃的低溫條件下，瀝青混凝土的疲勞壽命明顯低于常溫（20℃）條件下的疲勞壽命，且疲勞損傷的發(fā)展速度更快。濕度對(duì)瀝青混凝土的疲勞損傷也有不容忽視的影響。水分的存在會(huì)降低瀝青與集料之間的粘附力，使瀝青混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。在潮濕環(huán)境中，水分會(huì)逐漸滲入瀝青與集料的界面，削弱兩者之間的粘結(jié)力，使得在荷載作用下，瀝青更容易從集料表面剝落，從而引發(fā)微裂紋的萌生和擴(kuò)展，加速疲勞損傷。當(dāng)瀝青混凝土的含水量達(dá)到一定程度時(shí)，其疲勞壽命可能會(huì)降低20%-40%。濕度還會(huì)影響瀝青混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。水分在孔隙中積聚，在溫度變化或荷載作用下，孔隙內(nèi)的水分會(huì)產(chǎn)生壓力變化，對(duì)孔隙壁產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)一步破壞瀝青混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，促進(jìn)疲勞損傷的發(fā)展。在實(shí)際工程中，路面長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境時(shí)，由于水分的反復(fù)作用，瀝青混凝土的疲勞損傷會(huì)不斷累積，導(dǎo)致路面過早出現(xiàn)疲勞開裂等病害。溫度和濕度還可能產(chǎn)生耦合作用，共同影響瀝青混凝土的非線性疲勞損傷。在高溫高濕環(huán)境下，瀝青的軟化和水分對(duì)界面的侵蝕作用相互疊加，使得瀝青混凝土的疲勞損傷加劇，疲勞壽命大幅縮短。而在低溫高濕環(huán)境下，瀝青的脆性和水分的凍脹作用會(huì)共同作用于瀝青混凝土，增加其內(nèi)部應(yīng)力，加速疲勞損傷的發(fā)展。環(huán)境因素對(duì)瀝青混凝土的非線性疲勞損傷特性有著重要影響，在瀝青路面的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)過程中，必須充分考慮溫度和濕度等環(huán)境因素，采取相應(yīng)的措施來提高瀝青混凝土的抗疲勞性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。六、工程案例分析6.1案例選取與背景介紹本研究選取了某城市主干道作為工程案例進(jìn)行分析，該道路始建于2010年，至今已使用14年。此道路承擔(dān)著城市主要的交通流量，交通狀況復(fù)雜，每日平均交通量達(dá)5萬輛次，其中重載貨車占比約15%。交通高峰期時(shí)，車流量密集，車輛行駛速度緩慢，頻繁的啟停和加減速使得路面承受著較大的動(dòng)態(tài)荷載。在重載貨車的作用下，路面不僅要承受垂直方向的壓力，還會(huì)受到水平方向的摩擦力和沖擊力，這對(duì)路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗疲勞性能提出了更高的要求。該道路的路面結(jié)構(gòu)為典型的三層式瀝青混凝土路面。上面層采用厚度為4cm的細(xì)粒式SBS改性瀝青混凝土（AC-13C），其具有較好的抗滑性能和耐磨性能，能夠滿足車輛行駛的安全性和舒適性要求；中面層為5cm厚的中粒式瀝青混凝土（AC-20C），主要起到承重和分散荷載的作用；下面層是6cm厚的粗粒式瀝青混凝土（AC-25C），用于增強(qiáng)路面的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。基層采用30cm厚的水泥穩(wěn)定碎石，其具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠有效傳遞和擴(kuò)散路面荷載，減少路面的變形。底基層為20cm厚的石灰土，主要起到改善路基土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高路基的承載能力和穩(wěn)定性的作用。在長(zhǎng)期的交通荷載作用下，該道路出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的疲勞開裂病害。通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路面上分布著大量的橫向裂縫和縱向裂縫，裂縫寬度在0.5mm-2mm之間，部分裂縫已經(jīng)貫穿整個(gè)路面結(jié)構(gòu)層。裂縫的存在不僅影響了路面的平整度和行車舒適性，還使得雨水容易滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，加速了路面的損壞。在雨天，雨水通過裂縫滲入路面基層，導(dǎo)致基層材料軟化，強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)路面的坑槽、唧泥等病害，嚴(yán)重影響了道路的正常使用和交通安全。對(duì)該道路進(jìn)行詳細(xì)的工程案例分析，有助于深入了解動(dòng)載作用下瀝青混凝土路面的疲勞損傷過程和機(jī)理，為制定合理的路面維護(hù)和修復(fù)措施提供依據(jù)。6.2現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析為了深入了解該道路的疲勞損傷狀況，采用了先進(jìn)的探地雷達(dá)設(shè)備對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了無損檢測(cè)。探地雷達(dá)通過發(fā)射高頻電磁脈沖，并接收反射波來獲取路面結(jié)構(gòu)信息。在檢測(cè)過程中，將探地雷達(dá)安裝在專用檢測(cè)車上，以5km/h的速度沿道路縱向勻速行駛，確保能夠全面、準(zhǔn)確地檢測(cè)路面狀況。通過對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，獲取了路面各結(jié)構(gòu)層的厚度信息，以及內(nèi)部是否存在脫空、裂縫等缺陷。結(jié)果顯示，在部分路段，上面層厚度存在一定程度的減薄，平均減薄量約為0.5cm，這可能是由于長(zhǎng)期的車輛磨損和磨耗導(dǎo)致的；中面層和下面層厚度基本符合設(shè)計(jì)要求，但在一些裂縫較為嚴(yán)重的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)中面層和下面層存在局部脫空現(xiàn)象，脫空范圍在0.5m2-1.5m2之間，這進(jìn)一步加劇了路面的疲勞損傷。采用路面裂縫測(cè)量?jī)x對(duì)路面裂縫進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，包括裂縫的長(zhǎng)度、寬度和深度。測(cè)量結(jié)果表明，橫向裂縫的平均長(zhǎng)度為5m，最長(zhǎng)可達(dá)10m，裂縫寬度在0.5mm-2mm之間，部分裂縫深度已貫穿整個(gè)上面層，甚至延伸至中面層；縱向裂縫的平均長(zhǎng)度為8m，寬度在0.3mm-1.5mm之間，深度也較深，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響。為了分析路面疲勞損傷的原因，將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與前文建立的非線性疲勞損傷模型相結(jié)合?？紤]到該道路的交通荷載特點(diǎn)，將重載貨車的荷載幅值、加載頻率等參數(shù)代入模型中進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，考慮溫度和濕度對(duì)瀝青混凝土疲勞損傷的影響，對(duì)模型中的溫度修正系數(shù)和濕度修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過模型計(jì)算，發(fā)現(xiàn)重載貨車的頻繁作用是導(dǎo)致路面疲勞損傷的主要原因之一。由于重載貨車的軸載較大，在路面上產(chǎn)生的應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了瀝青混凝土的疲勞極限，加速了微裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致路面出現(xiàn)大量裂縫。當(dāng)?shù)叵募靖邷囟嘤?、冬季寒冷干燥的氣候條件也對(duì)路面疲勞損傷起到了促進(jìn)作用。在高溫多雨季節(jié)，瀝青混凝土的強(qiáng)度和剛度下降，水分的滲入進(jìn)一步削弱了瀝青與集料之間的粘結(jié)力，加速了疲勞損傷；在冬季寒冷干燥時(shí)，瀝青混凝土的脆性增加，容易產(chǎn)生裂縫。根據(jù)模型預(yù)測(cè)，若不采取有效的維護(hù)措施，該道路的疲勞損傷將進(jìn)一步加劇，預(yù)計(jì)在未來3-5年內(nèi)，路面裂縫將進(jìn)一步擴(kuò)展，可能出現(xiàn)坑槽、唧泥等更為嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重影響道路的使用性能和交通安全。通過對(duì)工程案例的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了前文建立的非線性疲勞損傷模型在實(shí)際工程中的適用性，為制定合理的路面維護(hù)和修復(fù)措施提供了科學(xué)依據(jù)。6.3基于研究成果的解決方案根據(jù)研究成果，為了有效延緩該道路的疲勞損傷發(fā)展，提高路面的使用壽命，制定了以下針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)措施。對(duì)于路面裂縫，采用灌縫處理的方法。首先，使用高壓空氣噴槍或清縫機(jī)對(duì)裂縫進(jìn)行徹底清理，去除裂縫內(nèi)的雜物、灰塵和松動(dòng)顆粒，確保裂縫干凈、干燥。然后，根據(jù)裂縫寬度選擇合適的灌縫材料，當(dāng)裂縫寬度小于3mm時(shí)，采用熱瀝青灌縫；當(dāng)裂縫寬度大于3mm時(shí)，選用改性瀝青密封膠灌縫。灌縫時(shí)，將灌縫材料加熱至規(guī)定溫度，使用灌縫機(jī)將其均勻地注入裂縫中，確保灌縫材料與裂縫壁充分粘結(jié)，填充飽滿，灌縫后表面應(yīng)平整，略高于路面，以防止雨水滲入。對(duì)于路面局部脫空區(qū)域，采用注漿加固的方法。在脫空區(qū)域的路面上鉆孔，孔間距根據(jù)脫空范圍和大小確定，一般為0.5m-1m。將配制好的水泥漿或聚氨酯漿液通過注漿泵注入孔中，在壓力作用下，漿液填充脫空區(qū)域，使路面結(jié)構(gòu)層重新緊密結(jié)合，提高路面的承載能力。注漿過程中，嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，避免因壓力過大導(dǎo)致路面隆起或因注漿量不足而無法有效填充脫空區(qū)域。注漿完成后，對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵，確保路面的平整度和行車安全性。為了提高路面的整體性能，增強(qiáng)其抗疲勞能力，對(duì)路面進(jìn)行微表處罩面處理。微表處是一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，采用專用的機(jī)械設(shè)備將聚合物改性乳化瀝青、集料、填料、水和添加劑等按照一定比例