沥青路面温缩裂缝的应力有限元分析
发表时间：2026-04-09 19:14 阅读：次
半刚性基层沥青路面由于其明显的优点和技术经济效益，正被国内外越来越广泛地采用。路面使用实践表明：一定条件下，沥青路面易产生温度裂缝，并且这种裂缝会对沥青路面的使用效果和承载强度等造成严重危害。低温收缩裂缝是北方寒冷地区常见的沥青路面的破坏形式。冬季前后，随着外界气温的下降，路面材料变得越来越硬，并开始收缩，由于层状路面结构的相互约束，当收缩产生的拉应力超过路面材料的抗拉强度时，沥青路面就开裂。由于路面结构的宽度有限，收缩所受到的约束小，所以温度收缩裂缝主要是横向的。路面使用实践还表明：沥青路面的温度裂缝不仅与当地的环境气候条件有关，而且还与路面材料特性和路面结构的组合设计紧密相关。因此，深入探索半刚性基层沥青路面的开裂机理及其与各影响因素之间的内在联系就具有重要的理论和应用价值，这一问题目前仍是国内外有关机构研究的焦点之一。本文着重分析沥青面层产生温缩裂缝后，裂缝尖端的应力强度及其与路面材料特性参数和结构厚度之间的关系，并对裂缝的扩展机理进行了有限元分析。
本文采用二维弹性层状体系理论进行沥青路面的断裂力学分析。并假定路面各层粘结良好无滑动。为此，沿路线方向垂直向下取路面结构的一个截面，则这一截面处于平面应力状态。
边界条件有明显的力学意义，即在水平边界L，上压应力，而在裂缝表面人上拉应力。这一情形表明：沥青路面的温缩裂缝问题与远离裂缝加载的无限平板的应力拉伸问题有本质的区别。
对上述数学模型，工程力学中一般均采用有限元法或差分法等进行近似计算。这些数值方法虽然具有一定的优点，但在处理裂缝尖端的奇异性方面往往不能恰当地表示出奇点邻域内的待求函数，并且这种不完善的表示将会波及问题的要害处。根据上述情况，我们利用偏微分方程组边值理论和二维奇异积分方程理论对上述边值问题式进行研究。提出了一种新的计算方法。
虽然我们已确定了所求温度应力场的理论解，但该解表达形式较复杂，计算量较大。由于在沥青路面的断裂分析中，少、们感兴趣的是裂缝尖端的应力强度，因此本文着重进行这方面的计算和分析。
式中相对于裂纹尖端的测点的圆柱形极坐标，K称为应力强度因子，它给定了裂纹尖端邻近弹性应力场的大小，可用长预示裂纹的扩展趋势。在裂纹尖端邻近的所有应力系统可以分为三种形式。即I型(张开型)、皿型(滑开型)及班型(撕开型)。在沥青路面温缩裂缝分析中，只须研究I型开裂问题。
本节我们对沥青路面面层开裂后裂缝尖端的应力强度因子进行数值分析。假定路面结构由沥青面层、半刚性基层和土基三层组成。面层厚度为h(m)，半刚性基层厚度为g(m)，并设基层厚度g-0.4m。根据上述说明，我们对四种不同面层厚度h的路面结构的应力强度因子作了数值分析。
沥青混合料的温度收缩性能是导致路面开裂和裂缝扩展的最基本的因素之一。上述计算结果表明：在层状路面结构中，若沥青面层已开裂，则裂缝尖端的应力强度因子随面层温缩系数的增大而增大。
沥青混合料的温度收缩系数是一个复杂的物理参数，它不仅与材料的级配组成及沥青性质密切相关，还与路面的温度、降温速率等温度条件有关。因此，根据本地区沥青路面的温度状况，优化沥青混合料的级配组成，使其温缩系数尽可能小，对于减少沥青路面的温缩裂缝及缓解温缩裂缝的扩展有积极意义。
上述结果表明：在层状路面结构中，若面层已开裂，则半刚性基层的温缩性能对面层裂缝尖端的应力强度因子K：有明显的影响。当沥青面层较薄时h(<12cm)，随着基层温缩系中国公路数的增大，应力强度因子K：逐渐减小;当沥青面层较厚时h(>12cm)，随着基层温缩系数的增大，应力强度因子，逐渐增大。
上述情况表明：由于层状路面结构的相互约束，半刚性基层对沥青面层存在着明显的阻力矩作用。当沥青面层较薄时，基层受到较大的温差作用，基层对沥青面层的阻力矩也较大。这一阻力部分地抵消了裂缝尖端邻近的拉应力，从而使裂缝尖端的应力强度减小。而当沥青面层较厚时，基层受到的温差作用较小，基层对面层的摩阻力不足以抵消由于基层温缩增大对沥青面层裂缝尖端邻近产生的拉应力的增加部分，从而使裂缝尖端的应力强度继续增加。对未开裂的沥青路面温度应力的分析亦得到了类似的结果。
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