斷裂力學理論在道路中的運用

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

1 前言

造成各級公路路面發生變形、破壞等損傷形式及原因主要分為以下幾種:

1.1 路面變形

在道路的路基路面施工結束后，因為施工或行車原因造成路基不均勻沉降，直接表現為路面有波形、路面不平整。在路堤填筑以后，在動載和靜載共同作用下，地基形成固結形變，路面就形成凹陷或凸起。

1.2 松散

在孔隙率較大的瀝青混凝土表面層內，雨水在重力的作用下滲透進路面面，但是瀝青混凝土下層具有較大的密實性和防水性，水會聚集在混凝土里面無法排出，聚集在里面的水會對路面造成侵蝕，主要表現為瀝青路面的表面小坑洞、小空隙。

1.3 車轍

公路工程實際的工程的施工結構中，大部分設計采用的是半剛性基層的混凝土瀝青路面，由于其自身的剛度較大，不易出現變形，而瀝青混合料形成的流動性是造成車轍的主要原因。

1.4 裂縫

在實際工程中，我們發現混凝土瀝青路面最常見的裂縫主要有以下幾種：橫向裂縫、縱向裂縫、網狀裂縫以及路基路面不均勻沉降造成的沉降裂縫，還有在反復的溫度變化及盒荷載變化情況下出現的疲勞破壞而產生的裂紋為溫縮裂縫。

2 道路疲勞壽命計算

在斷裂力學理論中，當材料的循環應力對材料的作用遠低于屈服強度的循環應力，一般情況下不會發生機械破壞。如果在構件內部存在裂紋，在外力作用下，構件發生突然的幾何形狀變化，則局部應力可能超過屈服強度，從而會使裂紋發展。外荷載的每一次作用都將使裂紋產生細微增長，在力學上稱這種現象為疲勞裂紋擴展。Paris研究了裂紋擴展速率和應力強度因子之間的關系后指出，裂紋擴展速率和應力強度因子之間存在簡單的指數關系，即：

式中：為裂紋擴展速率；

A，n為與材料性質有關的常數；

為應力強度因子的幅值。

在斷裂力學的材料屬性規定中，瀝青混凝土是不均勻各向異性的材料．瀝青混凝土中存在一些細微的空隙間隔，這就成為了路面發生初始裂紋的源頭。材料的初始應力狀態會隨著初始裂紋的大小程度而改變，在荷載的作用下，大量的應力集中在細微空隙的端頭，過度的應力超過了該材料所能承受的極限值，從而使端部破裂，Paris公式也適用于路面的破壞開裂．路面破壞的疲勞壽命等于：

式中：為初始裂紋長度

為裂紋最終破壞時的裂紋長度．

按照上式，只需將各個參數帶入式中，路面的疲勞壽命即為可求出。

3 結語

在實際工程中，通過大量的工程計算，計算結果表明，面層和基層模量增大將減小面層的使用壽命，面層厚度增加將顯著增加面層的使用壽命。通過與傳統試驗方法比較說明，用疲勞斷裂力學理論預測疲勞壽命更科學有效。

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