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基于有限元分析探究荷载与温度对沥青路面Top-Down开裂的影响机制

一、引言

1.1研究背景与意义

随着交通量的日益增长以及车辆荷载的不断加重，沥青路面在现代交通基础设施中扮演着举足轻重的角色。然而，沥青路面的损坏问题也愈发凸显，其中Top-Down开裂已成为影响沥青路面耐久性和使用寿命的关键病害之一。Top-Down开裂是指裂缝从沥青路面表面产生，并逐渐向下扩展贯穿沥青面层的现象。这种病害在早期阶段可能对路面结构的承载能力影响较小，因而容易被忽视。但随着时间的推移，裂缝会不断发展，使得水分、空气等有害物质能够轻易侵入路面结构内部，导致沥青混合料性能劣化、层间粘结力下降，进而加速路面的损坏，严重影响路面的使用性能和服务寿命。

大量的道路病害调查数据显示，许多高速公路和城市主干道在通车后的较短时间内就出现了不同程度的Top-Down开裂现象。在中国，部分高速公路在运营3-5年后，Top-Down裂缝的发生率就达到了相当高的比例，给道路养护和运营带来了沉重的负担。例如，某条连接重要城市的高速公路，在开通后的第4年进行路面状况检测时发现，Top-Down裂缝的长度和面积迅速增加，部分路段的裂缝密度甚至超过了每公里500米，不仅影响了行车的舒适性和安全性，还导致了频繁的路面维修和养护作业，增加了交通拥堵和运营成本。在国外，类似的情况也屡见不鲜。美国的一些州际公路在长期承受重载交通后，Top-Down开裂问题严重，据统计，每年因Top-Down开裂导致的路面维修费用高达数亿美元。

荷载和温度是导致沥青路面Top-Down开裂的两个关键因素。车辆荷载在路面上产生复杂的应力分布，尤其是在轮胎与路面接触区域及其附近，会产生较大的拉应力、剪应力和压应力。这些应力的反复作用会使沥青路面表面的材料逐渐产生疲劳损伤，当损伤积累到一定程度时，就会引发Top-Down裂缝的产生。同时，温度的变化对沥青路面的性能也有着显著的影响。在高温季节，沥青混合料的刚度降低，容易产生塑性变形；而在低温季节，沥青混合料的脆性增加，当温度骤降时，路面材料因收缩受到约束而产生较大的拉应力，若拉应力超过材料的抗拉强度，就会导致裂缝的产生和扩展。此外，昼夜温差和季节性温度变化也会使路面材料经历反复的热胀冷缩循环，加速路面的疲劳损伤。

深入研究荷载和温度对沥青路面Top-Down开裂的影响，对于提升道路的耐久性和安全性具有重要的现实意义。通过揭示荷载和温度作用下Top-Down开裂的产生机理和扩展规律，可以为沥青路面的设计、施工和养护提供更加科学合理的依据。在路面设计阶段，可以根据研究结果优化路面结构组合和材料选择，提高路面的抗裂性能；在施工过程中，能够制定更加严格的质量控制标准，确保路面的施工质量；在道路养护方面，能够及时准确地预测和评估Top-Down开裂的发展趋势，采取有效的预防性养护措施，延缓裂缝的发展，降低路面维修成本，延长道路的使用寿命，保障交通的安全和顺畅。

1.2国内外研究现状

国外对沥青路面Top-Down开裂的研究起步较早，可追溯到20世纪80年代。早期的研究主要集中在对开裂现象的观察和描述上。随着研究的深入，学者们逐渐开始运用力学理论和数值模拟方法来探究其形成机理和扩展规律。Roque等和Dinegdae等使用基于能量的裂缝开展模型研究后认为，横向拉应力是影响TDC的关键因素，其研究为后续从能量角度分析裂缝提供了思路。美国战略公路研究计划（SHRP）在沥青路面研究中，虽未专门针对Top-Down开裂开展大规模研究，但在路面结构力学响应和材料性能研究方面积累的数据和成果，为后续Top-Down开裂研究奠定了一定基础。

在国内，对Top-Down开裂的研究起步相对较晚，早期主要集中在传统半刚性基层路面的反射裂缝、温缩裂缝等方面。近年来，随着对沥青路面病害研究的深入，Top-Down开裂逐渐受到关注。徐欧明、郝培文特别关注路表应力及其对沥青路面裂缝损坏机理的影响，认为在路表一个相对小的、接近1cm深的拉应力区域进行研究来定义损坏机理比较好，并采用应力强度因子以及定义裂缝末端的响应行为，发现拉应力对损坏有至关重要的作用，大大超过了裂缝末端的剪应力，且在裂缝增长阶段拉应力大小的变化取决于裂缝长度。李峰、孙立军则将TDC归因于轮胎边缘处的载荷引起的剪切应变，他们在实测轮胎接地压力的基础上，建立了路面结构的三维有限元模型，计算出4条实际道路的最大拉、剪应力值及其位置，通过对最大拉、剪应力位置与开裂现象，最大应力值与应力强度的比较和分析，得出轮载下强大的剪应力是造成Top-Down