高速公路沥青路面疲劳损伤预测方法研究

摘要：随着交通量增长，高速公路沥青路面疲劳损伤问题凸显，严重影响行车安全与道路寿命，亟需精准预测方法。为此，综合探究多种因素与技术手段。分析车辆荷载、环境因素致损原因及裂缝、变形等表现；采用有限元建模，设力学、热传导与损伤演化模组，结合局部应变试验确定参数并建预估模型，剖析材料微观结构与混合料特性对疲劳的影响，开展混合料层疲劳试验构建预测模型并应用。结果表明各方法协同有效，能准确预测疲劳损伤，为路面设计养护提供科学支撑，提升道路管理水平与使用寿命。

关键词：高速公路；沥青路面；疲劳损伤；预测方法

引言

在现代交通网络蓬勃发展的时代，高速公路作为交通动脉，其沥青路面却时刻面临着疲劳损伤的严峻挑战。频繁的车辆穿梭，加之复杂多变的环境因素，如同隐匿的“杀手”，悄然侵蚀着路面的健康。传统的维护模式往往滞后，难以提前精准施策。如今，借助前沿科技与创新理念，深入探索沥青路面疲劳损伤的奥秘成为必然。从微观结构到宏观表现，从材料特性到复杂模型构建，一场旨在揭开疲劳损伤预测谜题的科研之旅已启航，有望重塑高速公路路面养护的新格局，保障交通的高效与安全。

一、高速公路沥青路面疲劳损伤概述

（一）疲劳损伤形成因素分析

车辆荷载是关键因素之一，高速行驶的车辆产生的动态压力，尤其是重载车辆的高频次碾压，使路面内部产生反复的应力应变循环。环境因素不可忽视。温度的季节性变化以及昼夜温差，导致沥青材料热胀冷缩，产生温度应力。降水渗入路面结构，在车辆荷载作用下形成动水压力，加速沥青与集料的剥离，削弱路面结构强度。此外，紫外线辐射促使沥青老化，降低其黏结性能。这些因素相互交织、协同作用，在路面内部逐渐累积损伤，最终致使疲劳裂缝的产生与扩展，严重影响路面的承载能力与耐久性，对高速公路的安全运营构成威胁。

（二）疲劳损伤表现形式研究

裂缝是最为常见且直观的形式，其中横向裂缝多因温度应力变化而产生，与道路中心线近乎垂直，其宽度和长度会随时间推移逐渐发展。纵向裂缝则常与道路施工工艺、路基不均匀沉降相关，沿道路纵向延伸，可能贯穿整个路面结构层。网状裂缝通常是疲劳损伤发展到较为严重阶段的体现，是多种裂缝相互交错连接形成的复杂图案【1】。除裂缝外，路面还会出现车辙变形，在车辆频繁行驶的轮迹带处，沥青混合料因受挤压而产生永久性变形，深度不一的车辙不仅影响行车舒适性，还会导致路面积水，进一步加剧路面损坏。局部坑洼也是疲劳损伤的表现，当路面结构强度不足时，在车辆冲击荷载作用下，局部材料脱落形成坑洼，对行车安全造成极大隐患。

二、基于有限元的疲劳损伤预测核心技术

（一）有限元模型构建要素

以某条繁忙的高速公路沥青路面为例，在构建有限元模型时，首先需精准确定路面结构参数。其沥青面层厚度依据设计规范与交通流量预估预估设定为 4 厘米，基层厚度 6 厘米，底基层厚度 8 厘米，并明确各层材料的弹性模量、泊松比等力学特性。对于车辆荷载，通过实地监测获取该路段不同车型的轴重、轴距以及车速等数据，构建出符合实际交通流的动态荷载模型，例如设定常见的重型货车轴重为 10 吨，以每小时 80 公里的速度行驶产生的冲击荷载。路表温度函数则基于该地区多年气象数据，采用热传导理论拟合出温度随时间变化的曲线，考虑夏季高温可达 40℃，冬季低温 -10℃，昼夜温差等因素，以此构建出能够准确模拟该高速公路沥青路面真实受力与温度环境的有限元模型基本框架，为后续精确分析提供基础保障。

（二）模组运行与结果解读

在有限元模型的力学响应模组运行中，针对上述高速公路案例，计算得出在车辆荷载作用下，沥青面层不同位置的应力应变分布情况。如在轮迹带处，沥青层顶部承受较大的压应力，底部则产生拉应力，最大拉应力可达 0.3MPa，应变值为 0.002。热传导模组运行结果显示，夏季高温时段，路面表层温度迅速上升，与基层形成较大温差，产生的温度应力可使路面结构产生竖向位移，最大值达 0.5 厘米【2】。损伤演化模组依据设定的疲劳损伤准则，分析出在长期反复荷载与温度应力作用下，疲劳损伤从路面表层开始逐渐向下层扩展，在经历特定次数的荷载循环后，损伤区域的面积占比逐渐增大，例如在运营 5 年后，损伤区域占比约为 10%，且主要集中在轮迹带附近区域，这为确定路面的维修养护时机与重点区域提供了关键依据，有助于提升高速公路沥青路面的管理水平与使用寿命。

三、局部应变视角下的疲劳寿命预估策略

（一）局部应变试验与参数确定

以某山区高速公路沥青路面为例，开展局部应变试验，确定直接拉伸疲劳试验条件，采用专门定制的试件，其尺寸为长 300 毫米、宽 50 毫米、高 50 毫米。试验设备选用高精度的万能材料试验机，加载速率设定为 5 毫米/分钟。在不同温度条件下进行试验，如 5℃、15℃和 25℃，以模拟山区四季温度变化对路面的影响。在 5℃时，通过试验得到沥青混合料的初始弹性模量为 3500MPa，随着拉伸应变的增加，应力应变曲线呈现出明显的非线性特征。当拉伸应变达到 0.003 时，应力值为 10.5MPa，此时材料开始出现局部损伤迹象，对应的应变硬化系数为 0.35。在 15℃时，弹性模量下降至 3000MPa，在相同的 0.003 拉伸应变下，应力为 9MPa，应变硬化系数变为 0.3。而在 25℃时，弹性模量进一步降低至 2500MPa，应力为 7.5MPa，应变硬化系数为 0.25。通过对这些数据的分析，确定了不同温度下的强度系数，5℃时强度系数为 12，15℃时为 10，25℃时为 8。这些参数为后续疲劳寿命预估模型的建立提供了关键依据。

（二）疲劳寿命预估模型建立

基于上述局部应变试验确定的参数，构建疲劳寿命预估模型。建立循环应力 - 应变曲线方程，例如采用指数函数形式： ，其中A和B为与材料特性和试验条件相关的系数。通过数据拟合得到在 5℃时，A = 1500，B = 0.4；15℃时，A = 1200，B = 0.35；25℃时，A = 1000，B = 0.3。进一步建立应变 - 寿命方程： ，其中N为疲劳寿命， 为应变。在 5℃时，C = 5 ，D = 3.5；15℃时，C = 3 ，D = 3.2；25℃时，C = 2 ，D = 3。通过该模型可以预估不同应变水平和温度条件下沥青路面的疲劳寿命【3】。当应变水平为 0.002，温度为 15℃时，根据模型计算得到疲劳寿命约为 2.5 次。通过与实际监测数据对比，发现该模型预估结果与实际路面疲劳损伤发展趋势具有较高的吻合度，能够为该山区高速公路沥青路面的维护和修复计划制定提供科学有效的指导，保障道路的长期稳定运行。

四、材料特性对疲劳损伤的关键作用

（一）微观结构与疲劳关联探究

以某沿海高速公路沥青路面为例，深入探究微观结构与疲劳的关联，通过电子显微镜对沥青路面材料的微观结构进行观测分析，发现沥青中填充料的分布和形状对疲劳性能有着显著影响。在该案例中，采用的石灰岩矿粉作为填充料，其平均粒径为 10 微米。当矿粉均匀分散在沥青中时，能够有效增强沥青的内聚力，提高其抵抗疲劳破坏的能力。例如，在未受长期交通荷载作用前，矿粉在沥青中呈均匀分布状态，沥青胶浆结构相对致密，其抗剪强度可达 0.8MPa。随着高速公路运营时间的增长，在长期的车辆荷载以及海洋性气候环境因素（如高湿度、盐分侵蚀等）的共同作用下，沥青逐渐老化。老化后的沥青分子结构发生变化，变得更加僵硬，导致填充料与沥青之间的黏附性下降。从微观图像可以观察到，矿粉出现团聚现象，原本均匀的微观结构被破坏。在经历了 5 年的运营后，部分区域沥青胶浆的抗剪强度下降至 0.4MPa，下降幅度达 50%。这种微观结构的劣化使得沥青路面在车辆反复荷载作用下，更容易产生疲劳裂缝。通过对微观结构变化与路面实际疲劳损伤情况的对比分析可知，微观结构的完整性与沥青路面的疲劳寿命密切相关，保持良好的微观结构有助于提升路面的抗疲劳性能。

（二）混合料特性与疲劳关系

沿海高速公路沥青混合料采用的集料为玄武岩，其压碎值为 18%，洛杉矶磨耗值为 22%，表明集料具有较高的强度和耐磨性。沥青结合料采用 70 号重交沥青，其针入度为 65（0.1mm），软化点为 48℃。在混合料配合比方面，沥青与集料的比例为 4.5：95.5。在疲劳性能方面，通过室内小梁弯曲疲劳试验发现，当应变水平控制在 0.002 时，在标准试验条件下，该沥青混合料的初始疲劳寿命可达 1.2× 次【4】。但在模拟实际环境条件下（考虑海水侵蚀、温度变化等因素），其疲劳寿命显著下降，约为 6× 次。这是由于海水的侵蚀作用使得沥青与集料的黏结界面逐渐被破坏，集料之间的摩擦力增大，导致混合料在荷载作用下更容易产生损伤累积。研究不同级配的沥青混合料对疲劳性能的影响发现，采用间断级配的沥青混合料相较于连续级配的混合料，在相同荷载条件下，其疲劳寿命可提高约 20%。这是因为间断级配的混合料内部形成了更为稳定的骨架结构，能够更好地分散荷载应力，减少疲劳损伤的产生。

五、沥青混合料层疲劳损伤预测实践

（一）混合料层疲劳试验开展

以某重载交通高速公路沥青路面为例，详细阐述混合料层疲劳试验开展过程。首先，针对该路面的沥青混合料层制备疲劳试验试样，采用旋转压实仪成型直径为 100 毫米、高度为 150 毫米的圆柱形试件，模拟实际路面压实情况，确保试件密度与现场路面一致，其压实度达到 98%。

在小梁四点弯曲试验机上进行弯曲疲劳试验，设定试验温度分别为 10℃、20℃和 30℃，以模拟不同季节路面的温度状况。在 10℃时，选取 9 个试样，将其平均分成 3 个应变水平，分别为 0.0015、0.002 和 0.0025。试验频率设定为 10Hz，加载波形采用正弦波，以模拟车辆行驶过程中的动态荷载。当应变水平为 0.0015 时，试验发现第一个试样在经历 2.5× 次循环加载后出现裂缝，随着试验的进行，最后一个试样在 3.2× 次循环时断裂，该应变水平下平均疲劳寿命约为 2.8× 次。

在 20℃时，同样 9 个试样，应变水平设为 0.002、0.0025 和 0.003。例如在 0.002 应变水平下，试验初期，试件的劲度模量为 3200MPa，随着疲劳试验的推进，劲度模量逐渐降低，在达到 1.5× 次循环时，劲度模量下降至 2000MPa，最终该组试样平均疲劳寿命为 1.8× 次。在 30℃时，应变水平调整为 0.0025、0.003 和 0.0035。其中在 0.0025 应变水平下，试件在 8× 次循环时开始出现微裂缝，由于温度较高，沥青混合料的黏性增加，变形能力增强，但抗疲劳性能有所下降，该组试样平均疲劳寿命仅为 1.2× 次。

（二）疲劳寿命预测模型应用

基于上述混合料层疲劳试验数据，构建适用于该重载交通高速公路沥青路面的疲劳寿命预测模型并进行应用。采用的疲劳寿命预测模型为：

其中 为沥青混合料弯曲疲劳试验试件破坏时的疲劳寿命（次）， 为当前试验频率和试验温度下的弯曲劲度模量（MPa），由弯曲劲度模量主曲线确定， 为室内弯曲疲劳试验的应变， 为试验温度（℃）， 为拟合参数。通过对大量试验数据的拟合分析，确定该模型的拟合参数【5】。例如， ， ， ， ， 。在实际应用中，利用现场动态称重系统获取该高速公路路面交通荷载参数，确定设计使用年限内设计车道的累计当量轴载作用次数 为 1.5× 次。通过检测路面沥青混合料层的劲度模量为 2800MPa，层底拉应变 为 0.0022，结合确定的拟合参数，代入疲劳寿命预测模型计算得到沥青混合料层疲劳寿命 约为 1.6× 次。在某一路段，预测疲劳寿命为 1.3× 次，实际在累计当量轴载作用次数达到 1.4× 次时，路面出现了大量横向裂缝，这表明该疲劳寿命预测模型具有较高的准确性和可靠性，能够为该重载交通高速公路沥青路面的预防性养护提供科学依据，合理安排养护时间和措施，有效延长路面的使用寿命，降低养护成本，保障高速公路的安全畅通运营。

结语

高速公路沥青路面疲劳损伤预测对道路运维意义重大，通过剖析疲劳损伤形成因素与表现形式，运用有限元模型、局部应变试验、探究材料微观结构与混合料特性等多方法构建预测体系。各技术相互补充，经案例验证，能精准预测疲劳寿命并评估路面状态。这为科学养护决策提供依据，助力提升高速公路沥青路面耐久性与安全性，推动道路工程技术发展。

参考文献

[1]吕松涛，赵霈，鲁巍巍，等.面向长寿命的既有高速公路沥青路面延寿设计综述[J].交通运输工程学报，2024，24（02）：20-49.

[2]代启胜，武杨.高速公路ALGSZX连续路段修复路面接缝技术影响因素研究[J].科技创新与生产力，2023，44（07）：78-80+83.

[3]罗德尉.高速公路沥青路面典型病害与预防性养护技术分析[J].工程技术研究，2023，8（13）：86-88.

[4]周鑫.新疆地区高速公路沥青路面养护决策研究[D].新疆农业大学，2023.

[5]刘帅.高速公路沥青路面使用性能评价及预防性养护对策研究[D].石家庄铁道大学，2023.

作者简介：吴小和，男（1988.05-），汉族，湖南娄底，工程师，本科学历，主要研究道路与桥梁工程。