層間接觸狀態變化對應力強度因子的影響分析

胡耀強，黃欽壽

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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層間接觸狀態變化對應力強度因子的影響分析

胡耀強，黃欽壽

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

如何防治反射裂縫是舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層需主要解決的問題之一。文章以廣西南寧市某城市道路改擴建工程為例，采用有限元軟件ABAQUS建立平面應變模型，分析層間接觸狀態變化對瀝青加鋪層應力強度因子的影響，結果表明：各接觸層間粘結性能的增強可有效降低裂縫尖端應力強度因子。

瀝青加鋪層；層間接觸；反射裂縫；應力強度因子

0　引言

水泥混凝土路面在城市道路中應用廣泛，隨著城市建設與經濟高速發展，日益增長的交通需求與城市道路建設矛盾越來越突出，涌現出大量的城市道路改擴建工程。由于瀝青加鋪層能夠有效改善舊水泥混凝土路面使用性能，目前在國內外舊水泥混凝土路面改造工程中應用最廣[1]。本文以廣西南寧市某城市道路改擴建工程典型瀝青加鋪層結構作為研究背景，對瀝青加鋪層和應力吸收層接觸、應力吸收層和舊水泥混凝土路面接觸和舊水泥混凝土板與基礎接觸三種狀態變化下瀝青加鋪結構層應力強度因子進行分析，研究不同層間接觸狀態對應力強度因子的變化規律。

1　計算參數

廣西南寧市某城市道路改擴建工程為現狀水泥混凝土路面擴建為城市主干路，現狀路面保存完好，路面病害較少，路面道路評價等級為良，設計考慮對舊路病害處理后采用瀝青加鋪層罩面處理，典型路面結構見圖1。參考現行《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)[2]確定本文采用的材料參數(見表1)。

圖1　路面加鋪結構圖

序號結構層名稱厚度(cm)彈性模量E(MPa)導熱系數λ(W·m-1·K-1)泊松比μ溫縮系數(℃-1)1瀝青加鋪層1812001.20.252.1×10-52應力吸收層28001.20.252.1×10-53舊水泥混凝土板24300001.50.151.0×10-54基礎—1001.00.30.5×10-5

注：基礎的彈性模量為舊水泥混凝土路面基層、墊層和路基的當量值。

2　計算荷載

車輛荷載采用標準軸載(BZZ-100，0.7 MPa，30 cm)[3]；廣西南寧市區在寒冷冬季夜間路表溫度為10 ℃左右，典型溫度荷載參數為假定路表初始溫度10 ℃，發生15 ℃降溫，路面溫度場的分布服從指數型衰減的數學模型[4，5]，見式(1)。

(1)

式中：z——路面深度；

ΔTm——持續降溫幅度；

tm——從降溫開始至降溫結束所經歷的時間；

z0——初始厚度。

3　計算模型及裂縫區域的模擬

采用大型商業軟件ABAQUS建立平面應變有限元模型進行模擬計算，模型由基礎、舊水泥混凝土路面、應力吸收層和瀝青加鋪層組成。瀝青加鋪層結構計算圖示如圖2所示。假定基礎和瀝青加鋪層兩側約束法向方向、基礎底部完全約束；舊水泥混凝土板接縫無傳遞荷載能力；各結構層為均質、各向同性的線彈性材料。基礎采用擴大尺寸進行模擬，經取不同基礎尺寸進行誤差對比分析，擬定基礎擴大尺寸為16.01 m×8.5 m。假定舊水泥混凝土板接縫寬度為1 cm，取兩塊舊水泥混凝土板進行分析，長度為(5+5)m，相應瀝青加鋪層長度為10.01 m，應力吸收層長度為10.01 m。采用奇異單元模擬裂縫尖端應力和應變場[6]，裂縫尖端網格劃分如圖3所示。

圖2　瀝青加鋪層結構計算圖

圖3　裂縫尖端網格劃分圖

4　層間接觸狀態變化對應力強度因子的影響

在瀝青加鋪層結構中主要存在以下3個接觸面，分別為瀝青加鋪層和應力吸收層接觸(第1界面)、應力吸收層和舊水泥混凝土路面接觸(第2界面)和舊水泥混凝土板與基礎接觸(第3界面)，用層間結合系數f表征層間結合狀態：f=0表示完全光滑，f=1表示完全連續，f=0-1表示部分接觸。以下主要分析前面2個界面接觸狀態變化對應力強度因子的影響，保持第3界面f=0.5不變，用0表示完全光滑，用1表示完全連續，4種組合狀態分別描述為：0-0表示2個界面均光滑，0-1表示第1界面光滑第2界面連續，1-0表示第1界面連續第2界面光滑，1-1表示2個界面均連續。

取反射裂縫長度分別為1 cm、9 cm和16 cm，分別代表裂縫擴展的初期、中期和后期，分析在車輛靜荷載作用下，當層間接觸狀態變化時裂縫尖端應力強度因子變化規律。不同層間接觸狀態對應力強度因子影響計算結果如圖4所示。

圖4　不同層間接觸狀態對應力強度因子的影響柱形圖

從圖4中可以看出，在裂縫擴展的3個階段，裂縫尖端應力強度因子隨著層間接觸狀態由完全光滑變化到部分連續或完全連續時逐漸減小。以1 cm裂縫長度為例，隨著層間接觸狀態由0-0變化到0-1、1-0和1-1時，K*分別減小20.3%、19.1%和25.3%。分析可知當層間接觸狀態為完全連續時，裂尖應力強度因子最小，其次為瀝青加鋪層與應力吸收層光滑和應力吸收層與舊水泥混凝土路面連續的組合。但由于施工原因不可能達到完全連續，而真正層間接觸狀態是介于完全光滑和完全連續之間。以下將重點分析各層層間接觸狀態獨自改變對K*的影響。計算結果如圖5～7所示。

圖5　應力吸收層和瀝青加鋪層接觸狀態對K*的影響曲線圖

圖6　應力吸收層和舊水泥混凝土路面接觸狀態對K*的影響曲線圖

圖7　舊水泥混凝土路面和基礎接觸狀態對K*的影響曲線圖

圖5為瀝青加鋪層和應力吸收層接觸狀態改變時裂縫尖端應力強度因子變化曲線。從圖中可知隨著接觸狀態由0變化到1時，應力強度因子逐漸減小且趨勢越來越緩。以1 cm裂縫長度為例，裂縫尖端應力強度因子由接觸狀態為0時的0.136 MPa·m1/2減小到接觸狀態為1時的0.112 MPa·m1/2，減幅為17.5%。

圖6為應力吸收層和舊水泥混凝土路面接觸狀態改變時裂縫尖端應力強度因子變化曲線。從圖中可知隨著解除狀態由0變化到1時，應力強度因子逐漸減小且趨勢放緩。以1 cm裂縫長度為例，當接觸狀態為0時，應力強度因子為0.138 MPa·m1/2，當接觸狀態為1時，應力強度因子為0.112 MPa·m1/2，減幅為18.7%。

圖7為舊水泥混凝土路面和基礎接觸狀態改變時裂縫尖端應力強度因子變化曲線。從圖可知隨著接觸狀態由0變化到1，應力強度因子逐漸減小且趨勢放緩。以1 cm裂縫長度為例，應力強度因子由接觸狀態為0時的0.125 MPa·m1/2減小到接觸狀態為1時的0.112 MPa·m1/2，減幅為10.4%。

以上3種情況的分析均取裂縫長度為1 cm，各層接觸狀態均由0變化到1，應力強度因子減幅最大的是應力吸收層和舊水泥混凝土路面接觸狀態的改變，其次為瀝青加鋪層和應力吸收層層間接觸狀態的改變。

以應力吸收層和舊水泥混凝土路面層間接觸為例，從圖6不難發現，在接觸狀態由完全光滑向完全連續變化的過程中，應力強度因子先是快速減小，而當層間結合系數達到一定程度后再提高結合系數變化不再明顯，說明在完全光滑和完全連續間存在一個較佳的接觸狀態。以裂縫1 cm長度為例，當f從0增加到0.7時，應力強度因子減幅為14.1%；當f超過0.7后，曲線趨于平緩，f=1.0時與f=0.7時相比，僅減小0.1%。表明在本分析中當層間結合系數達到0.7左右時，應力強度因子變化不再明顯。層間結合狀態越好越有利于抑制反射裂縫的擴展，因此在瀝青加鋪層施工過程中，加強瀝青加鋪層與舊水泥混凝土板間的聯結非常重要，是防止加鋪層底部開裂的重要途徑之一。

5　結語

以廣西南寧市某城市道路改擴建工程典型路面結構為例，分別取3個典型裂縫長度研究車輛靜荷載作用下層間接觸狀態變化對瀝青加鋪層應力強度因子的影響，分析表明各接觸層間粘結性能的增強可有效降低裂縫尖端應力強度因子。影響最明顯的層間接觸關系為應力吸收層與舊水泥混凝土路面接觸狀態，在本文分析模型中當f=0.7時再繼續增大結合系數影響效果不再明顯。本文為瀝青加鋪層的抗裂設計提供了一些觀點和建議，可供同行參考。

[1]楊斌.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構研究[D].西安：長安大學，2005.

[2]JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[3]王隨原.舊水泥路面瀝青加鋪層疲勞壽命預估方法研究[D].長沙：長沙交通學院，2003.

[4]鄭健龍，周志剛，張起森.瀝青路面抗裂設計原理與方法[M].北京：人民交通出版社，2002.

[5]Zheng Jianlong，Zhang Qisen.The Nolinear Analysis of Low Temperature Shrinkage Cracking in Ashpalt Pavements[C].Proceedings of the Asian Pacific Conf.On computational Mechanics，Hong Kong，1991.

[6]JTJ H10-2009，公路養護技術規范[S].

Analysis on the Impact of Interlayer Contact State Changes on Stress Intensity Factor

HU Yao-qiang，HUANG Qin-shou

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

How to prevent the reflection cracks is one of major problems required to be solved for the asphalt overlay of old cement concrete pavement.Taking a city road expansion and reconstruction pro-ject in Nanning as the example，this article established the plane strain model by using the ABAQUS fi-nite element software，and analyzed the impact of interlayer contact state changes on the stress intensity factor of asphalt overlay，and the results showed that the enhancement of adhesive properties among all contact layers can effectively reduce the stress intensity factor of crack tips.

Asphalt overlay；Interlayer contacts；Reflection crack；Stress intensity factor

U416.216+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.003

1673-4874(2016)05-0004-03

2016-04-23

胡耀強(1982—)，工程師，研究方向：道路工程設計；

黃欽壽(1984—)，工程師，研究方向：道路工程設計。