沥青路面表面裂纹粘弹性力学分析
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纹 扩展 的影响。 关键词 ： 应力强度 因子 ， 弹性力学 ， 粘 断裂力 学， 有限元 中图分类号 ： ４ ６ ２ ７ Ｕ １ ．１ 文献标识码 ： Ａ
３ 各层之 间的接触面为层 间完全连 沥青混凝土是 由沥 青胶 结料 和集料 胶结 在一起 组成 的路 面 无限深处应力及位移均为零 ；） 材料 ， 具有粘弹性特性 ， 在行 车荷载 作用下 同时具有 瞬时 弹性 和 续 ； ） ４ 不考虑温度应力 和水 平滚 动摩擦 阻力 ； ） 面体系 为小变 ５路 粘弹性［， 。试验表 明［ｌ即使在很低 的温 度下 ， １１ ２ ３， 沥青混合料仍具 形且不考虑路面各结构层 自重 的影 响。 有明显的应 力松 弛效应 。广义 Ｍａｗｅ 模 型 能较 好地 描述 沥青 ｘ ｌ ｌ
小裂纹两端顶部 和底部正 中处 出现 ， 可见 小裂纹两端顶 部和底部 文中选 取柔性路面结构层作 为有 限元分析模 型 ， 参考 国外 柔 正 中处是最不利荷 位。考 虑到小 裂纹 两端顶 部两 点关 于小裂纹 性路面结 构 ， 沥青路 面划分 为 ４层 体系 ， Ｉ： 将 即 面层 ， 基 层 ， 中心与计算荷载对称 ， Ⅱ： 因此只分析小裂纹一 端顶部 和底 部正 中处
Ⅲ： 底基层 ， 路 基 ， Ⅳ： 各层均 为线 弹性 路面材 料。实 际 的路 面 在 的应力强度 因子 随时间 的变化 。设 小裂纹 一 端顶部点 的点 号为
垂直方 向和水平方 向都趋 于无 限（ 同宽度方 向相 比） 而在弹性层 Ｍ ， ， 小裂纹底部正 中处点 的点号为 Ｎ（ 图 １ 。 见 ） 状理论假设 中， 连续体 系在 水平 和垂直方 向上也都 是无限 的。当 分析采用循环有 间歇半正 弦脉 冲荷载 ， 力波 长为 ０ １Ｓ间 应 ． ， 采用有 限元进行求解 时 ， 不可能 在无 限域 内划分 单元 ， 因此 在计 歇时间分别为 ０Ｓ０ ５Ｓ ０ ９Ｓ脉冲幅值 为 ０ ７ＭＰ 。经计算 ， ｔ ． 和 ． ， ． ａ
表面小裂纹假设 为宏 观纵 向半椭 圆形 小裂 纹 ， 于路面表面 位 ｎ ＝０ ０ ５ｍ， ．０ 小裂纹 前缘共 设有 ４ 个节点 （ １ 如图 １所示） 。
ＨＩ
正 中央处 ， 半椭 圆形小裂纹长半 轴半径 ｎ ＝０ ０ 短半轴 半径 着 间歇时间的增大而减小 ， ． １ｍ， 这说 明在 荷载之 间的间歇时 间内沥青
算 中路面模 型 的长 、 和高分 别取 Ｘ ＝４ｍ， 宽 Ｙ＝４ｍ， Ｚ＝Ｈ ＋
Ｈ ２ Ｈ３＋Ｈ ４ １ ３ 。 ＋ ＝ ． ５ｍ
Ｉ 型应力强度因子为 负值 ， 对小 裂纹起 闭合 作用 ， 以不考虑 Ｉ 可
型应力强度 因子对小裂纹扩展 的影 响。 无论在 Ｍ 点还是在 Ｎ 点 ， 同一 时刻 Ｉ型应力 强度 因子随 在 ／
沥 青 路 面 表 面 裂 纹 粘 弹 性 力学 分 析
刘 志 坚
摘 要： 使用本 构模 型来模拟路 面面层材料 的本构 关系 ， 同时将行 车荷载 的作用 形式视为半正 弦波谱形式 ， 过大型通 通
用有 限元的二次 开发 功能， 开发 出在任 意荷位进行 循环加 载的有限元子程序 ， 分析 了 载速 率和荷载间歇 时间对疲劳裂 加
路 面将 产生有利 于疲 劳细 小裂纹 闭合 的 内部应 力。在 ４ ９ ９ ９ ．５Ｓ
施加不 同频率 的均布 荷载来 研究 表面 小裂纹 前缘各 节 点应力 强 ２ 表 面裂 纹有 限元数 值计 算 度因子随时问的扩展规律。
１ 表 面裂 纹有 限元模 型
１ １ 路 面 结 构 ．
２ １ 偏 荷 载作 用 下不 同间歇 时 间对裂缝 的影 响 ．
通过试算可知 ， 在偏 荷 载作用下 ， 力强 度因子 的极值 均在 应
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第３ ３卷 第 ２ ３期
２０ ０ ７ 年 ８ 月
山 西 建 筑
ＳＩＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ － Ｉ ＴＥＣｒＵＲＥ
Ｖｏｌ３ Ｎｏ． ３ ＿３ ２
Ａ ｇ ２ ０ ｕ． ０７
・３５ ・ ０
ห้องสมุดไป่ตู้
文 章编 号 ：０ ９６ ２ （０ ７ ２ ．３ ５０ １ ０ ．８ ５ ２ ０ ）３０ ０ ．２
复作用超过一定次数以后 ， 在荷载作 用下路面 内产 生 的应 力就会 ０ ６ 其 中 ， ．Ｌ， Ｌ＝２ ０ｍｍ； ６ 双轮 间距 为 ０ １３５ｍ。行车荷 载为偏 ．６ 超过强度下降后的结构抗 力 ， 使路 面裂纹扩 展。这 一阶段 的裂纹 荷 载 ， 偏荷载为双轮压 于裂纹 一侧 ， 近裂纹处 的轮 胎边缘 重合 在 疲劳寿命与加载速率和 荷载 间歇 时间有 密切 的关 系Ｈ 。文 中使 裂纹上 。文 中分别使 用不 同加 载时 间和 间歇 时 间来考察 偏荷 载 ｊ 用 自行编制的循 环半 正弦均布荷载子程序来模 拟行车荷 载 ， 过 对裂缝应力 强度因子 的影响。 通
路面结构应用三维 实体 单元 进行离 散处 理 ， 部完 全约 束 ， 底
混合料的应力松弛特性 ， 特别是 可通过 调整 巨 ， 改变松 弛曲线 在四周 限制垂直 于 面方 向 的位 移 ， ｔ 面层 表 面和 裂纹 区作 为 自由
不进行任何约束 。 的形态以适应不同材料 的特 点。文 中使 用 一５℃ 的 ６参量 广义 面 ， Ｍａｗ ｌ模型来模拟低温条件下的沥青材料 的本构关 系【 。 ｘｅ ｌ ３ Ｊ １３ 行 车 荷 载 ． 沥青路 面在使用期 间 ， 经受车 轮荷 载 的反复作 用 ， 长期处 于 计算荷载采用标准双轮轴载 １０ｋ 胎压 ０ ７ ７ＭＰ 。为方 ０ Ｎ， ．０ ａ 应力应 变交迭变化状态 ， 致使路 面结构强度逐 渐下降 。当荷 载重 便有 限元计算 ， 触 面积 简化 为等 宽 的单 一矩 形【 ． ７ Ｌ× 接 引０ ８ １２
３ 各层之 间的接触面为层 间完全连 沥青混凝土是 由沥 青胶 结料 和集料 胶结 在一起 组成 的路 面 无限深处应力及位移均为零 ；） 材料 ， 具有粘弹性特性 ， 在行 车荷载 作用下 同时具有 瞬时 弹性 和 续 ； ） ４ 不考虑温度应力 和水 平滚 动摩擦 阻力 ； ） 面体系 为小变 ５路 粘弹性［， 。试验表 明［ｌ即使在很低 的温 度下 ， １１ ２ ３， 沥青混合料仍具 形且不考虑路面各结构层 自重 的影 响。 有明显的应 力松 弛效应 。广义 Ｍａｗｅ 模 型 能较 好地 描述 沥青 ｘ ｌ ｌ
小裂纹两端顶部 和底部正 中处 出现 ， 可见 小裂纹两端顶 部和底部 文中选 取柔性路面结构层作 为有 限元分析模 型 ， 参考 国外 柔 正 中处是最不利荷 位。考 虑到小 裂纹 两端顶 部两 点关 于小裂纹 性路面结 构 ， 沥青路 面划分 为 ４层 体系 ， Ｉ： 将 即 面层 ， 基 层 ， 中心与计算荷载对称 ， Ⅱ： 因此只分析小裂纹一 端顶部 和底 部正 中处
Ⅲ： 底基层 ， 路 基 ， Ⅳ： 各层均 为线 弹性 路面材 料。实 际 的路 面 在 的应力强度 因子 随时间 的变化 。设 小裂纹 一 端顶部点 的点 号为
垂直方 向和水平方 向都趋 于无 限（ 同宽度方 向相 比） 而在弹性层 Ｍ ， ， 小裂纹底部正 中处点 的点号为 Ｎ（ 图 １ 。 见 ） 状理论假设 中， 连续体 系在 水平 和垂直方 向上也都 是无限 的。当 分析采用循环有 间歇半正 弦脉 冲荷载 ， 力波 长为 ０ １Ｓ间 应 ． ， 采用有 限元进行求解 时 ， 不可能 在无 限域 内划分 单元 ， 因此 在计 歇时间分别为 ０Ｓ０ ５Ｓ ０ ９Ｓ脉冲幅值 为 ０ ７ＭＰ 。经计算 ， ｔ ． 和 ． ， ． ａ
表面小裂纹假设 为宏 观纵 向半椭 圆形 小裂 纹 ， 于路面表面 位 ｎ ＝０ ０ ５ｍ， ．０ 小裂纹 前缘共 设有 ４ 个节点 （ １ 如图 １所示） 。
ＨＩ
正 中央处 ， 半椭 圆形小裂纹长半 轴半径 ｎ ＝０ ０ 短半轴 半径 着 间歇时间的增大而减小 ， ． １ｍ， 这说 明在 荷载之 间的间歇时 间内沥青
算 中路面模 型 的长 、 和高分 别取 Ｘ ＝４ｍ， 宽 Ｙ＝４ｍ， Ｚ＝Ｈ ＋
Ｈ ２ Ｈ３＋Ｈ ４ １ ３ 。 ＋ ＝ ． ５ｍ
Ｉ 型应力强度因子为 负值 ， 对小 裂纹起 闭合 作用 ， 以不考虑 Ｉ 可
型应力强度 因子对小裂纹扩展 的影 响。 无论在 Ｍ 点还是在 Ｎ 点 ， 同一 时刻 Ｉ型应力 强度 因子随 在 ／
沥 青 路 面 表 面 裂 纹 粘 弹 性 力学 分 析
刘 志 坚
摘 要： 使用本 构模 型来模拟路 面面层材料 的本构 关系 ， 同时将行 车荷载 的作用 形式视为半正 弦波谱形式 ， 过大型通 通
用有 限元的二次 开发 功能， 开发 出在任 意荷位进行 循环加 载的有限元子程序 ， 分析 了 载速 率和荷载间歇 时间对疲劳裂 加
路 面将 产生有利 于疲 劳细 小裂纹 闭合 的 内部应 力。在 ４ ９ ９ ９ ．５Ｓ
施加不 同频率 的均布 荷载来 研究 表面 小裂纹 前缘各 节 点应力 强 ２ 表 面裂 纹有 限元数 值计 算 度因子随时问的扩展规律。
１ 表 面裂 纹有 限元模 型
１ １ 路 面 结 构 ．
２ １ 偏 荷 载作 用 下不 同间歇 时 间对裂缝 的影 响 ．
通过试算可知 ， 在偏 荷 载作用下 ， 力强 度因子 的极值 均在 应
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第３ ３卷 第 ２ ３期
２０ ０ ７ 年 ８ 月
山 西 建 筑
ＳＩＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ － Ｉ ＴＥＣｒＵＲＥ
Ｖｏｌ３ Ｎｏ． ３ ＿３ ２
Ａ ｇ ２ ０ ｕ． ０７
・３５ ・ ０
ห้องสมุดไป่ตู้
文 章编 号 ：０ ９６ ２ （０ ７ ２ ．３ ５０ １ ０ ．８ ５ ２ ０ ）３０ ０ ．２
复作用超过一定次数以后 ， 在荷载作 用下路面 内产 生 的应 力就会 ０ ６ 其 中 ， ．Ｌ， Ｌ＝２ ０ｍｍ； ６ 双轮 间距 为 ０ １３５ｍ。行车荷 载为偏 ．６ 超过强度下降后的结构抗 力 ， 使路 面裂纹扩 展。这 一阶段 的裂纹 荷 载 ， 偏荷载为双轮压 于裂纹 一侧 ， 近裂纹处 的轮 胎边缘 重合 在 疲劳寿命与加载速率和 荷载 间歇 时间有 密切 的关 系Ｈ 。文 中使 裂纹上 。文 中分别使 用不 同加 载时 间和 间歇 时 间来考察 偏荷 载 ｊ 用 自行编制的循 环半 正弦均布荷载子程序来模 拟行车荷 载 ， 过 对裂缝应力 强度因子 的影响。 通
路面结构应用三维 实体 单元 进行离 散处 理 ， 部完 全约 束 ， 底
混合料的应力松弛特性 ， 特别是 可通过 调整 巨 ， 改变松 弛曲线 在四周 限制垂直 于 面方 向 的位 移 ， ｔ 面层 表 面和 裂纹 区作 为 自由
不进行任何约束 。 的形态以适应不同材料 的特 点。文 中使 用 一５℃ 的 ６参量 广义 面 ， Ｍａｗ ｌ模型来模拟低温条件下的沥青材料 的本构关 系【 。 ｘｅ ｌ ３ Ｊ １３ 行 车 荷 载 ． 沥青路 面在使用期 间 ， 经受车 轮荷 载 的反复作 用 ， 长期处 于 计算荷载采用标准双轮轴载 １０ｋ 胎压 ０ ７ ７ＭＰ 。为方 ０ Ｎ， ．０ ａ 应力应 变交迭变化状态 ， 致使路 面结构强度逐 渐下降 。当荷 载重 便有 限元计算 ， 触 面积 简化 为等 宽 的单 一矩 形【 ． ７ Ｌ× 接 引０ ８ １２
