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基于多因素考量的沥青混合料粘弹性疲劳本构模型构建与验证

一、引言

1.1研究背景与意义

随着交通量的不断增长以及车辆荷载的日益重型化，沥青路面面临着严峻的考验，疲劳问题成为其主要病害之一。疲劳开裂不仅严重影响路面的平整度和行车舒适性，还会大幅缩短路面的使用寿命，增加道路养护成本。据相关统计，在我国已建的高等级公路中，相当比例的沥青路面在设计使用年限内就出现了不同程度的疲劳损坏，如早期的沪宁高速公路、京石高速公路等，部分路段通车后短短几年就因疲劳裂缝等病害而进行了大规模的维修和改造。这些病害不仅给交通带来了不便，还造成了巨大的经济损失，每年我国用于沥青路面维修的费用高达数十亿元。因此，深入研究沥青路面的疲劳性能，寻找有效的解决方法，已成为道路工程领域亟待解决的关键问题。

沥青混合料作为沥青路面的主要材料，其疲劳性能直接决定了路面的疲劳寿命。沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其力学性能不仅与应力、应变有关，还与加载时间、温度等因素密切相关。传统的疲劳本构模型往往忽略了这些因素的影响，难以准确描述沥青混合料在复杂受力条件下的疲劳行为。而粘弹性疲劳本构模型能够充分考虑沥青混合料的粘弹性特性，更准确地反映其在实际路面荷载作用下的疲劳损伤演化过程。通过构建粘弹性疲劳本构模型，可以为沥青路面的设计和维护提供更为科学、准确的理论依据。

在路面设计方面，准确的粘弹性疲劳本构模型能够使设计人员更加精确地预测路面在不同交通荷载和环境条件下的疲劳寿命，从而优化路面结构设计，合理选择材料参数，提高路面的抗疲劳性能。例如，在新建道路设计中，可以根据模型计算结果，合理增加沥青层厚度或选用性能更优的沥青混合料，以延长路面的使用寿命，减少后期维修成本。在路面维护方面，基于粘弹性疲劳本构模型的分析结果，能够及时发现路面潜在的疲劳病害，制定科学合理的养护策略，实现预防性养护。通过对路面疲劳状况的实时监测和分析，提前对可能出现疲劳损坏的部位进行修复或加固，避免病害的进一步发展，提高路面的使用性能和安全性。

1.2国内外研究现状

在沥青混合料疲劳性能研究方面，国外起步较早。20世纪60年代，美国的壳牌石油公司就开展了相关研究，通过大量的室内试验和现场观测，提出了基于应变控制的疲劳寿命预估模型，为沥青路面疲劳设计奠定了基础。随后，英国的TRRL（TransportandRoadResearchLaboratory）也进行了深入研究，建立了TRRL疲劳模型，该模型考虑了路面结构、材料特性和交通荷载等因素对疲劳寿命的影响，在欧洲得到了广泛应用。

近年来，国外学者在沥青混合料疲劳性能研究上不断深入。加拿大的Hossain等学者通过对不同类型沥青混合料进行多应力水平下的疲劳试验，发现沥青混合料的疲劳寿命与加载频率密切相关，低频加载下疲劳寿命明显缩短。美国的Bahia等利用数字图像相关技术（DIC）对沥青混合料疲劳过程中的细观变形进行监测，揭示了集料与沥青砂浆之间的界面损伤是导致疲劳破坏的重要因素。

国内对沥青混合料疲劳性能的研究始于20世纪80年代。早期主要是引进和消化国外的研究成果，对国产沥青混合料的疲劳性能进行初步测试和分析。随着我国公路建设的快速发展，对沥青混合料疲劳性能的研究也日益深入。东南大学的黄晓明教授团队通过对不同级配、不同沥青含量的沥青混合料进行疲劳试验，建立了适合我国国情的沥青混合料疲劳性能预估模型，并将其应用于实际路面设计中。长安大学的谢永利教授团队研究了温度、湿度等环境因素对沥青混合料疲劳性能的影响，发现高温和高湿环境会显著降低沥青混合料的疲劳寿命。

在粘弹性本构模型研究方面，国外同样处于领先地位。Maxwell模型和Kelvin模型是最早提出的经典粘弹性本构模型，它们为描述粘弹性材料的基本力学行为提供了基础。后来，为了更准确地描述沥青混合料的粘弹性特性，学者们对这些模型进行了改进和拓展。如Burgers模型，它由Maxwell模型和Kelvin模型串联而成，能够更好地描述沥青混合料的蠕变和松弛特性，在沥青混合料粘弹性分析中得到了广泛应用。

近年来，国外一些学者开始将微观力学理论引入粘弹性本构模型的研究中。例如，法国的Chaboche等提出了基于内变量理论的粘弹性本构模型，该模型考虑了材料内部微观结构的变化对粘弹性行为的影响，能够更准确地描述沥青混合料在复杂加载条件下的力学响应。

国内在粘弹性本构模型研究方面也取得了一定的成果。同济大学的孙立军教授团队基于连续介质力学和损伤力学理论，建立了考虑损伤演化的沥青混合料粘弹性本构模型，该模型能够较好地反映沥青混合料在疲劳加载过程中的力学性能劣化现象。长沙理工大学的郑健龙教授团队提出了一种广义的粘弹性本构模型，通过增加模型中的参数和单元数量，提高了