摘要
随着重载交通发展和气候环境变化，道路基层材料常处于交通荷载与温度、湿度场多场耦合作用的复杂疲劳状态。本研究聚焦于石灰稳定土等半刚性基层材料，通过自主研发的多场耦合疲劳试验系统，模拟了真实服役环境下的应力-水-热循环作用。系统揭示了材料在多场耦合疲劳过程中的宏微观损伤累积规律，建立了基于能量耗散和刚度衰减的疲劳损伤演化模型。进一步探索了融合声发射、电阻率变化等多源信息的损伤无损诊断方法，为道路基层的疲劳寿命预测与预防性养护决策提供了科学依据。
一、多场耦合疲劳服役环境与试验方法创新
- 实际服役环境分析
力学场：重载、超载车辆引起的重复弯拉应力/应变，应力水平通常较低（低于极限强度的30%-50%），但作用次数极多（千万次至上亿次）。
温度场：昼夜与季节性温差导致材料内部产生温度梯度与温度应力，夏季高温可能引发沥青面层下的基层温度达40-50℃。
湿度场：降雨、地下水毛细上升导致基层含水率周期性变化，影响材料模量与强度。
- 多场耦合疲劳试验系统研发
系统构成：
动态加载模块：液压伺服系统，可实现半正弦波、梯形波等多种荷载波形，频率0.1-10Hz。
环境箱：精确控制温度（-20℃~60℃）和相对湿度（20%~98%）。
含水率控制系统：通过底部毛细供水或顶部喷雾，模拟含水率变化。
多源监测系统：集成LVDT（位移）、应变片、温度湿度传感器、声发射（AE）传感器、电阻率电极。
典型耦合工况设计：
工况A（常温干燥疲劳）：恒温20℃，恒低含水率，作为基准。
工况B（温度循环耦合疲劳）：荷载作用下，温度在10℃~40℃间每日循环变化。
工况C（湿-热-力全耦合疲劳）：在温度循环基础上，叠加周期性含水率变化（如模拟季节性降雨影响）。
二、多场耦合疲劳损伤的宏微观演化规律
- 宏观力学性能演化
刚度衰减三阶段：
快速衰减阶段（初始~10%寿命）：微裂纹迅速萌生与扩展，模量下降较快。
稳定衰减阶段（10%~80%寿命）：损伤匀速累积，模量近似线性缓慢下降。
加速衰减至破坏阶段（80%~100%寿命）：主裂纹形成并失稳扩展，模量急剧下降。
永久变形累积：在多场耦合下，尤其是湿度变化参与时，塑性应变累积速率显著高于纯力学疲劳。温度升高会加剧这一现象。
疲劳寿命对比：试验表明，在相同应力水平下，工况C（全耦合）的疲劳寿命仅为工况A（纯力学）的30%-50%，凸显了环境耦合效应的严重性。
- 微观结构损伤观测
CT扫描三维重构：对经历不同疲劳次数后的试样进行微米CT扫描，定量分析裂纹体积、长度、宽度和空间分布。发现湿热耦合作用下，裂纹更倾向于在集料-浆体界面（ITZ）处萌生并沿之扩展，形成连通网络。
SEM观察：疲劳后，浆体中出现大量微裂纹，C-S-H凝胶结构疏松。在湿度循环作用下，可观察到裂纹壁有次生水化或溶解痕迹。
- 损伤过程的能量耗散特征
每次加载-卸载循环的应力-应变滞回环面积代表能量耗散（ΔW）。ΔW随疲劳次数增加而增大，尤其在破坏阶段急剧上升。提出累积耗能（ΣΔW） 作为比荷载作用次数（N）更普适的损伤指标。
三、基于多源信息的损伤诊断与状态评估
- 声发射（AE）技术诊断
AE参数演化：振铃计数率、能量率在损伤三阶段有显著特征。稳定阶段AE活动平稳，加速破坏阶段出现大量高能事件。
b值分析：声发射事件的幅度-频率分布中的b值，随损伤加剧而减小，可作为损伤恶化的预警指标（b值持续下降预示宏观裂纹即将产生）。
RA-AF图分析：通过上升时间与幅度的比值（RA）和平均频率（AF）区分裂纹模式（剪切型或张拉型）。发现疲劳后期剪切型事件比例增加，预示破坏模式转变。
- 电阻率法诊断
在石灰稳定土中掺入少量导电材料（如碳纤维屑，0.3%体积比），使其具备自感知功能。
电阻率变化（ρ）与损伤关联：微裂纹产生和扩展会切断导电通路，导致电阻率上升。建立电阻率相对变化率（Δρ/ρ₀）与剩余刚度（E/E₀）的经验关系式，可实现基于电学信号的无损损伤评估。
- 多源信息融合的损伤状态评估模型
构建融合AE特征（b值、能量）、电阻率变化（Δρ/ρ₀）和宏观模量衰减率（dE/dN）的损伤指数（DI）。
DI = w1 * f1(b-value) + w2 * f2(Δρ/ρ₀) + w3 * f3(dE/dN)
其中，w为权重，f为归一化函数。
通过机器学习（如支持向量机SVM）训练，可利用实时监测的AE和电阻率数据，在线评估并预警基层材料的损伤状态（健康、预警、危险）。
四、疲劳损伤演化模型与剩余寿命预测
- 改进的刚度衰减模型
在经典的E/E_0 = 1 - A * N^B模型基础上，引入温度（T）和含水率（w）的影响因子，建立耦合模型：
E/E_0 = 1 - A * (N * g(T, w))^B
其中，g(T, w)为环境耦合因子函数，通过试验数据拟合得到，通常g(T, w) > 1。 - 基于能量法的疲劳寿命预测
提出疲劳破坏准则：当累积耗散能（ΣΔW） 达到临界值W_c时，材料破坏。
W_c被视为材料常数，受初始状态影响，但受加载历程和环境耦合影响相对较小。
预测方法：通过监测初始若干循环的ΔW，外推得到达到W_c所需的循环次数N_f，实现早期寿命预测。
- 考虑损伤阈值的分级预警
一级阈值（DI₁）：对应刚度下降10%，微观损伤开始稳定累积。提示进入“观察期”，加强监测频率。
二级阈值（DI₂）：对应刚度下降30%，出现可见微裂纹。提示需要安排“预防性养护”，如灌缝、局部补强。
三级阈值（DI₃）：对应刚度下降50%，主裂纹形成。提示面临“结构性破坏风险”，需准备大修或重建。
五、工程启示与预防性养护策略
- 对材料设计与施工的启示
增强界面过渡区（ITZ）：通过掺加硅灰、优化级配等方式，强化最薄弱环节。
控制施工含水率与压实度：确保初始均匀性和高密度，延缓水分侵入和损伤萌生。
设置内部排水系统：有效排除入渗水，是降低湿度场不利影响的关键工程措施。
- 基于状态的预防性养护决策
监测系统布设：在重载路段、长大纵坡等关键部位基层中，预埋AE传感器和电阻率电极。
决策流程：实时或定期采集数据 → 计算损伤指数DI → 比对预警阈值 → 触发相应等级的养护预案。
养护措施匹配：
DI达到DI₁：加强日常巡查与数据监测。
DI达到DI₂：采用非开挖注浆、雾封层等技术进行预防性修复。
DI接近DI₃：计划结构性修复或重建。
六、结论与展望
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研究结论
多场耦合作用显著加剧了石灰基道路材料的疲劳损伤进程，湿热环境是除重载外不可忽视的“隐性杀手”。基于声发射、电阻率等多源信息融合的损伤诊断方法，能够实现材料内部损伤的早期识别和状态评估。建立的考虑环境耦合的损伤演化模型与基于能量的寿命预测方法，为科学评价与预测基层服役性能提供了新工具。 -
未来展望
数字孪生应用：建立关键路段的数字孪生模型，通过实时监测数据驱动，动态预测全路段疲劳损伤分布与演化。
智能修复材料：研发具有自感知和自修复功能的石灰基复合材料，提升基层的韧性。
标准化与推广：将多场耦合疲劳试验方法、损伤诊断指标纳入相关材料测试与结构设计标准，推动基于性能的设计（PBD）和预防性养护（PBM）理念的落地。
本研究将材料细观损伤力学与道路工程长期性能相结合，为应对重载交通和复杂气候环境下的道路耐久性挑战，提供了从机理认识到技术解决方案的系统性思路。
