瀝青路面典型裂紋的開裂擴展特性研究

王敏

（如皋市規劃建筑設計院有限公司，江蘇 如皋226500）

1 引言

隨著我國市政建設進程的加快，道路建設質量和建設水平也在穩步提高，目前，我國在道路結構及受力研究、道路新材料研究、新型道路路面結構及應用性能方面均已達到國際先進水平。在所建市政道路當中，瀝青路面結構占比達到90%以上，瀝青路面屬于柔性路面，在發揮自身性能優勢的基礎上，依然出現了多種類型的病害，尤其是路面開裂等，給瀝青路面結構的耐久性造成了較大影響。路面開裂之后不僅影響路面結構的強度，還會引發其他的病害，最終導致路面的破壞。我國現行的設計規范中并沒有考慮到路面結構中潛在的裂紋對結構受力的影響，但在應用過程中發現由于裂紋導致的應力集中現象，裂紋擴展的影響因素及危害等問題都會影響到瀝青路面的正常使用，因此，本文將結合瀝青路面的典型結構對瀝青路面典型裂紋的開裂擴展特性進行研究，通過了解裂紋擴展的特性，促進瀝青路面設計水平及病害預防水平的提高。

2 瀝青路面典型裂紋類型

根據裂紋的擴展形式，可以分為如圖1所示的3種類型，對于張開型裂紋，應力與裂紋面垂直，兩側應力方向相反，當拉應力大于材料的約束時就會產生張開型裂紋，這種裂紋在溫度應力或者荷載應力作用下會不斷擴展開裂。滑移型裂紋的裂紋面與應力平行，相互作用的一對應力方向相反，形成剪應力作用，當路面材料受到不均勻荷載作用時極易產生剪應力作用，導致裂紋不斷擴展，也稱之為剪切型裂紋。撕開型裂紋與剪切型類似，只是剪應力作用面不同，在實際工程中此類情形較少，在汽車轉彎過程中容易產生撕開型的裂紋。此外，由于裂紋的產生一般是多種因素的共同作用，因而裂紋類型也可能是共同存在的，從而形成組合式裂紋【1】。

圖1 裂紋的分類

3 表面裂紋擴展特性研究

根據瀝青路面結構層典型裂紋的形成機理，存在于表面的裂紋大多是由溫度及荷載引起的，因此，本研究主要從溫度場和荷載場角度研究表面典型裂紋的擴展特性。瀝青面層在低溫條件下，收縮變形作用給結構帶來的摩阻力會使面層內部產生較大的拉應力，而低溫條件下混合料模量的增大更會導致拉應力進一步變大，因而在結構層表面形成較多的溫縮裂紋，裂紋大多呈現橫向分布。為研究表面裂紋在實際條件下的擴展情況，根據形成的溫度場計算結構各節點的溫度，從而進行溫度應力分析。模型采用半剛性基層，結構層采用4cm AC-13瀝青面層、5cm AC-20瀝青層、22.5cm水泥穩定碎石基層及22.5水泥穩定碎石底基層，土基深度6m，如圖2所示，根據實際調查結果在結構表面層設置1條橫向貫穿路面的表面溫縮裂紋，裂紋深度為1.5cm。

圖2 路面模型示意圖

根據廖公云等【2】的研究中關于瀝青結構車轍及溫度場分析的方法，在利用ABAQUS進行建模中，瀝青混凝土層采用黏彈性本構模擬，其他層采用線彈性本構模擬，各層連續、層間完全黏結，輻射面為結構層表面且熱流傳遞沿豎向一維傳熱，溫度應力假設四周法向約束、底部完全約束。根據獲取的氣象參數、路面結構材料的熱物性參數、瀝青路面材料的力學參數指標，進行路面溫度場計算【3】。如圖3所示，為低溫條件下瀝青路面結構在1d內溫度場的變化情況，為分析豎向溫度差產生的應力變化，沿縱向提取不同時間段內的溫度值，提取深度為路表面、道路1.5cm深度、道路3cm深度、道路4cm深度，通過對比溫度差值，可以看出隨著路面結構層深度的增加，溫度變化幅度越來越小，在路表面1d的周期內最高可相差10℃，在4cm深度下最高只相差7℃，而且從1d的的豎向溫度差中可以看出在下午2h左右溫度梯度達到最大值，表明此時在結構層內部產生的溫度翹曲應力最大，路表裂紋正好處于溫度應力較大的瀝青表面層，因而開裂作用更加明顯。

圖3 瀝青路面結構溫度場

路面結構產生溫度應力時，上部材料結構收縮應力要大于下部結構，因此，上部結構在產生應力變化的同時會受到下部結構的約束力，這將促使上部瀝青面層結構拉應力的增大，進而導致路表裂紋的擴張。根據上述運算結果和各層材料參數及線膨脹系數，利用Static General和Visco分析步，進行表面裂紋開裂擴展分析，裂紋的計算截面取為行車荷載的外輪印中心A截面，如圖4所示。通過提取A斷面的應力云圖，如圖5所示，可以看出，溫縮裂紋最為顯著的開裂擴展方式為Ⅰ型張開式，而裂紋A斷面處表征Ⅱ型、Ⅲ型開裂程度的2種剪應力都較小，這是由于Ⅱ型剪切型開裂與Ⅲ型撕開型開裂與溫度荷載的單向性幾乎不會發生變化【4】。此外，由云圖可得到，從下午6h到早上6h，路表裂紋在溫度變化中一直處于張開的狀態，當溫差產生的拉應力增大時，開裂程度也增大，裂紋尖端處的應力集中現象越明顯；在白天溫度升高時，裂紋處于壓縮狀態，裂紋尖端處的應力在拉壓之間周期性變化，其應力強度因子K隨時間變化形式如圖6所示，在尖端處的最大應力可以達到3.0MPa，遠大于標準輪載的接地壓力，表明溫度荷載對裂紋擴展的影響可能不小于汽車荷載。

圖4 瀝青路面裂紋計算截面

圖5 部分時刻A斷面應力云圖

圖6 應力強度因子K值

瀝青面層結構除了受到溫度應力外，荷載作用產生的力學響應對裂紋的擴展影響巨大。為研究單一變量對裂紋擴展的作用，本模型中選擇溫度場中路表最高溫度時，即上述研究中對應下午2h的情形。如圖7所示，在進行荷載布置時，將當量圓簡化為矩形，接地壓力為0.7MPa【5】，荷載的移動速度為72km/h。由于模型中裂紋位置布置的關系，裂紋在橫向上幾乎沒有剪應力的響應，因此極小可能產生Ⅲ型開裂擴展，而Ⅰ型和Ⅱ型的應力強度因子在特性溫度場下的曲線如圖8所示。可以看出左側的K值一直處于負值，且左右基本呈對稱分布；右側曲線先是達到了正的最大值，然后迅速變為負的最大值，突變現象較為明顯，前面后面基本趨向于0。這充分說明，在移動荷載作用下，表面裂紋基本不會產生Ⅰ型張開式的擴展，主要為Ⅱ型剪切型開裂，且方向會發生變化。同時對比強度因子可以看出，溫度荷載對裂紋擴展的影響遠大于荷載的作用。

圖7 輪載轉換及分布圖

圖8 Ⅰ型和Ⅱ型強度因子K的變化曲線圖

4 面層貫穿裂紋與基層反射裂紋擴展特性研究

瀝青路面在使用過程中比較容易在面層形成縱向的貫穿裂紋，在半剛性基層中形成反射裂紋，目前研究中對于單獨的貫穿裂紋和反射裂紋已較為成熟，本節著重研究2種裂紋并存條件下裂紋的擴展特性。建模方法與荷載布置同上述類似，在面層縱向設置1條3m長的貫穿裂紋，基層設置橫向貫穿面層的反射裂紋Top-Down裂紋深度記為C1，反射裂紋深度則記為C2，而面層Top-Down裂紋縱向中斷面與反射裂紋之間的距離記為D，具體示意圖如圖9所示，橫向反射裂紋位于縱向貫穿裂紋的正下方，表面縱向貫穿裂紋根據最不利原則選取的6個點位如圖9b所示，每個點間距0.3m。

圖9 計算模型示意圖

在模型計算中只需要計算上述6個截面在荷載作用下的應力強度因子即可，從而分析裂紋的開裂擴展類型及擴展作用。在進行裂紋間距D的影響分析時，改變D的大小為0mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。對于基層反射裂紋。橫線分布的基層反射裂紋在荷載條件下沒有橫向剪切作用，主要體現為Ⅰ型和Ⅱ型的復合作用，將強度因子Ⅰ和Ⅱ的運算結果繪制曲線如圖10所示，可以看出Ⅰ型是先增大后減小的，基本位于0線上方，當輪載在正上方時達到最大值，可見裂紋此時產生的是張開式擴展；Ⅱ型變化較大，從0逐漸增大到正極值，然后迅速減小至負極值，最終慢慢趨于平緩，剪切方向發生了變化。對比2個結果，此時2種擴展作用程度接近，間距D對基層反射裂紋影響較小。

同樣，對于面層的貫穿裂紋進行分析中，Ⅰ型張開式擴展作用基本沒有，Ⅱ型剪切式在中點處達到最大值，Ⅲ型撕裂式從正值慢慢減小到負峰值，在時程中段突然增長至正值，之后又減小到負值，在過程中方向交替變化。間距D對面層貫穿裂紋影響較小，主要以Ⅱ型剪切式為主。

5 結語

瀝青路面裂紋的產生和擴展作用與應力作用密切相關，本文利用應力強度因子作為主要標準，通過建模計算路面不同點位在不同溫度場、荷載場中的應力強度因子，結果表明對于表面裂紋主要為張開型擴展作用，有荷載作用下主要體現為剪切型擴展，并且溫度應力的作用要大于荷載的應力作用；對于面層貫穿裂紋與基層反射裂紋的復合作用下，裂紋間距對擴展影響較小，反射裂紋引起裂紋張開和剪切型擴展，面層的貫穿裂紋引起剪切式擴展。

圖10 不同間距D下的強度因子K變化曲線圖