瀝青路面典型結構Top-Down裂縫尖端應力強度因子影響因素分析

李紹輝　郭忠印　楊永順

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室　上海　201804；　2.山東省交通廳公路局　濟南　250002)

瀝青路面典型結構Top-Down裂縫尖端應力強度因子影響因素分析

李紹輝1郭忠印1楊永順2

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海201804；2.山東省交通廳公路局濟南250002)

摘要借助ABAQUS有限元平臺，分析水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面與粒料基層瀝青路面，Top-Down裂縫尖端應力強度因子KII隨路面結構參數、軸載及裂縫深度變化規(guī)律。結果表明，增加瀝青層厚度與模量、基層厚度與模量、土基模量對瀝青路面結構抑制Top-Down裂縫有益，而超載將對路面Top-Down裂縫產生嚴重不利影響；水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面抗Top-Down裂縫能力大于粒料基層瀝青路面。 是以提供文獻內容梗概為目的，不加評論和補充解釋，簡明、確切地記述文獻重要內容的短文。其基本要素包括研究目的、方法、結果和結論。具體地講就是研究工作的主要對象和范圍，采用的手段和方法，得出的結果和重要的結論。篇幅以150字左右為宜。

關鍵詞道路工程瀝青路面Top-Down裂縫有限元法

Top-Down裂縫已成為我國高速公路瀝青路面主要病害形式[1]，其在雨水與車輛的綜合作用下在裂縫邊緣處形成松散剝落等病害[2]。同時有資料表明國外粒料基層瀝青路面裂縫也是其主要病害形式[3]。

我國道路工作者對該問題進行了相應研究：李峰借助有限元法，研究縱向開裂Top-Down裂縫損壞機理，結果表明剪應力是造成Top-Down開裂主要原因[4]；長安大學徐歐明等[5]用斷裂力學與有限元法研究瀝青路面內部裂縫發(fā)展規(guī)律，發(fā)現拉應力是造成微裂縫擴展主要原因。國外學

者也對該問題有相應研究：Freita借助有限元模型發(fā)現車輛載荷作用下輪胎邊緣處產生拉應力導致路面產生微裂縫，以及由于外界環(huán)境溫度降低產生拉應力導致微裂縫進一步發(fā)展是造成Top-Down裂縫主要原因[6]；其他國外學者通過研究認為，Top-Down一方面由于輪胎-路面接觸引起的拉應力以及由于施工、溫度變異性以及瀝青混合料的老化導致的瀝青混合料模量梯度分布，另一方面瀝青材料老化降低了瀝青混合料抗拉強度及拉伸應變[7]。

本文對重交瀝青路面建立ABAQUS有限元模型，采用斷裂力學方法分析瀝青路面不同裂縫深度II型剪切應力強度因子，得到典型結構Top-Down開裂斷裂力學指標及變化規(guī)律，為深入認識這一破壞形式及科學地進行路面結構設計提供依據。

1有限元模型建立

1.1　瀝青路面結構形式及參數

建模選用我國高速公路與美國重交瀝青路面結構，路面結構層厚度、材料模量及泊松比見表1。瀝青參數參考AASHTO路面設計規(guī)律取值，取為瀝青混合料10 Hz動態(tài)彈性模量。

表1　瀝青路面典型結構形式

注：ATB為瀝青處置碎石；CTB為水泥穩(wěn)定碎石；UGM為粒料材料。

1.2　有限元模型

瀝青路面有限元模型見圖1，路面橫向取為5 m，深度方向取為5 m，單元類型為CPE8R，模型邊界條件假設橫向邊界無向內位移，底部無向下位移，層間狀況完全連續(xù)。

a)瀝青路面有限元模型b)裂縫尖端網格分布

圖1瀝青路面Top-Down開裂有限元模型

1.3　載荷加載模型

假定輪胎接地應力矩形均勻分布，接地寬度18.8 cm，2輪中心距31.8 cm，輪胎接地長度19.0 cm，見圖2。

圖2　輪載作用位置

以正弦動力載荷形式加載，加載車輛車速為80 km/h，見圖3。

圖3　載荷幅值曲線

2結果分析

2.1　瀝青層厚度與模量對瀝青路面Top-Down裂縫影響分析

瀝青層厚度與模量對Top-Down裂縫尖端應力強度因子KII變化規(guī)律見圖4、圖5。

圖4　應力強度因子KII與瀝青面層厚度

圖5　應力強度因子KII與瀝青面層模量

2.2　基層厚度與模量對瀝青路面Top-Down裂縫影響分析

基層厚度與模量對Top-Down裂縫尖端應力強度因子KII的影響見圖6、圖7。

圖6　應力強度因子KII與基層厚度

圖7　應力強度因子KII與基層模量

2.3　土基模量對瀝青路面Top-Down裂縫影響分析

土基模量對半剛基層瀝青路面與粒料基層瀝青路面Top-Down裂縫尖端應力強度因子KII的影響見圖8。

圖8　應力強度因子KII與土基模量

2.4　軸重對瀝青路面Top-Down裂縫影響分析

車輛軸載大小對路面Top-Down裂縫應力尖端應力強度因子的影響見圖9。

圖9　應力強度因子KII與土基模量

3結論

(1) 隨瀝青層厚度與模量、基層厚度與模量及土基模量增加，水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面與粒料基層瀝青路面結構Top-Down裂縫尖端應力強度因子KII減小；隨軸重增加，Top-Down裂縫尖端應力強度因子KII明顯增加。

(2) 相同瀝青面層厚度與模量條件下，粒料基層瀝青路面結構Top-Down裂縫尖端應力強度因子大于水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面結構Top-Down裂縫尖端應力強度因子。

(3) 水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面，瀝青層厚度為18 cm時，Top-Down裂縫尖端應力強度因子在8 cm深度左右出現峰值；粒料基層瀝青路面，瀝青層厚度為30 cm時，Top-Down裂縫尖端應力強度因子在18 cm深度左右出現峰值。

參考文獻

[1]張永平,陸永林.基于彈性理論的瀝青路面Top-Down開裂機理研究[J]. 公路交通科技, 2014,31(4): 16-21.

[2]MIAO Y, He T G, YANG Q, et al.Multi-domain hybrid boundary node method for evaluated top-down in asphalt concrete Pavements[J].Engineering Analysis with Boundary Elements,2010,34(9):755-760.

[3]RODUE R,BIRGISSON B, DRAKOS C, et al. Development and field evaluation of energy-based criteria for top-down cracking performance of hot mix asphalt[J].Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists,2004,73:229-260.

[4]李峰, 孫立軍.瀝青路面Top-Down開裂成因的有限元分析[J].公路交通科技,2006,23(6):1-4.

[5]徐鷗明,郝培文.厚瀝青路面Top-Down裂縫分析及對路面設計的啟示[J].中外公路,2006,26(5):133-137.

[6]DE F E F, PEREIRA P, PICADO S L,et al.Effect of construction quality, temperature, and rutting on initiation of top-down cracking[J].TRR,2005,(1):174-182.

[7]SVASDISANT T, SCHOESCH M., BALADI G Y,et al. Mechanistic analysis of top-down cracking in asphalt pavement[J].TRR,2002,(15):126-136.

論文摘要撰寫要求

具體包括以下方面：

① 本文的研究目的或要解決的問題; ② 解決問題的方法及過程; ③ 主要結果及結論; ④ 本文的創(chuàng)新、獨到之處。

英文摘要中宜用過去時態(tài)敘述作者所做的工作；用現在時態(tài)敘述結論；能用名詞做定語的就不要用動名詞做定語，能用形容詞做定語的就不要用名詞做定語。盡可能用主動語態(tài)代替被動語態(tài)。

《交通科技》雜志社

Study on Top-Down Crack Tip Stress Intensity Factor in Typical Asphalt Pavement

LiShaohui1,GuoZhongyin1,YangYongshun2

(1.KeyLaboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Highway Bureau of Transportation office, Shandong Province, Jinan 250002, China)

Abstract：Based on finite element program ABAQUS, the Top-Down crack tip stress intensity factor KII was analyzed with different pavement structure parameters, axle loading and crack depth when the pavements were the asphalt pavement with cement treated granular base and the asphalt pavement with granular base. It was found that, with the increase of asphalt layer thickness and modulus, the base thickness and its modulus and the subgrade modulus, the Top-Down crack tip stress intensity factor decreased. Overload of the vehicle axles made negative effects on Top-Down crack. Through comparison, it was found that, the asphalt pavement with cement treated granular base has more anti-crack ability than the asphalt pavement with granular material base.

Key words:road engineering; asphalt pavement; top-down crack; finite element method

收稿日期：2015-01-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.026