加鋪瀝青層路面縱縫在不同動荷載作用下的變化研究

張小榮

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著我國交通運輸尤其是公路事業的快速發展，公路改建工程逐漸成為公路建設的重要部分。其中，在舊水泥混凝土路面面層上加鋪瀝青層為主要的路面改建形式[1]。

楊亦丁[2]通過實際路面改建工程對加鋪層路面破損的原因進行了分析，并從舊路調查評價、加鋪方法選擇、結構設計3個方面展開相關分析。劉亞峰[3]從路面材料質量與改建施工工藝等方面對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層進行質量控制，并對改建完成后的路面使用性能進行評價。呂惠卿等[4]利用ABAQUS有限元軟件對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層進行三維建模計算，分析了改建路面在溫度和車輛荷載耦合作用下的應力響應，發現在設計過程中增加路面調平層的厚度可以有效地防止反射裂縫的增加。劉柏康等[5]對瀝青加鋪層的材料類型、荷載加載頻率、荷載位置及裂縫的寬度等因素對改建后的瀝青加鋪路面抗反射裂縫性能的影響進行了綜合分析，發現在荷載加載頻率不小于10 Hz、偏載加載、裂縫寬度較小，以及采用SBS改性瀝青混合料時， 加鋪改建完成后的路面抗反射裂縫能力越強。

1 路面裂縫擴展力學理論

產生裂縫的影響因素包括既有裂縫的形式、路面結構，以及所受荷載的大小與形式。通常裂縫有3種主要形式，分別為：張開型裂縫(I型裂縫)、滑開型裂縫(II型裂縫)、撕開型裂縫(III型裂縫)3種[7]。對于張開型裂縫，其是在正應力作用下裂縫尖端處左、右2個裂縫面張開而產生，該類型裂縫也是路面在實際荷載作用下所產生的裂縫擴展的主要形式。

荷載作用下裂縫出現擴展的條件是荷載所施加至裂縫的能量應滿足裂紋擴展時所需要消耗表面能和塑性變形能量，即

G≥2Γ+Up

(1)

式中：2Γ為單位面積裂縫擴展所需要的表面能，kJ；Up為裂縫擴展時所消耗的塑性形變能，kJ。

對于張開型裂縫，其裂縫尖端在荷載作用下的應力場分布[8]如式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

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(4)

式中：K1為張開型裂縫應力強度因子；r和θ定義見圖1：σx、σz、τxz分別為x、z方向的正應力和x、z平面的剪切應力，MPa。r和θ為極坐標。圖1反映了平面應變條件下，距離裂縫尖端處一點的材料應力狀態。

圖1 裂縫尖端應力示意圖

通過裂縫尖端應力場的表達式可以看出，荷載作用下裂縫尖端處(r=0)的應力趨于無限大，即裂縫尖端處應力場具有奇異性。裂縫應力強度因子K1越大，荷載作用下裂縫尖端處的應力越快趨近無限大，裂縫越容易發生擴展。因此，可以將應力強度因子作為衡量裂縫尖端應力場大小的參數，研究不同荷載作用下路面裂縫擴展規律。

對于張開型裂縫，令θ=180°，可以得到利用裂縫面位移表示的應力強度因子計算方法見式(5)。

(5)

式中：μ為泊松比；v(t)為裂縫面位移；E為裂縫發生位置材料的彈性模量。

2 路面裂縫擴展規律有限元計算

2.1 有限元模型的建立

為了研究不同荷載條件下加鋪瀝青混合料路面基層底部裂縫的擴展機理，利用ABAQUS有限元軟件建立具有預先設置有裂縫的路面結構三維有限元模型，并在路面面層分別施加標準車輛荷載和振動壓路機荷載，計算并分析路面裂縫尖端現象。

路面結構采用舊水泥混凝土路面加鋪雙層瀝青混凝土結構，路面長度6 m、寬度6 m、深度3 m。各結構層厚度及材料參數見表1。建立路面結構三維有限元模型見圖2。路面結構采用六面體單元進行網格劃分(MESH)，在荷載加載位置提升網格密度。

表1 路面結構層材料及參數

圖2 路面結構三維有限元模型

2.2 層底裂縫的施加

在路面建模完成后，需要在路面結構中水泥混凝土層底進行剖分以創建初始三維裂縫，結合ABAQUS CAE生成裂縫網格，水泥混凝土層底裂縫剖分及裂縫尖端的選取見圖3。裂縫長度設置為3 cm，取裂縫上部為裂縫尖端區域。

圖3 水泥混凝土層底裂縫剖分及裂縫尖端的選取

2.3 動力荷載的實現

路面在施工和運營過程中所受到的壓路機荷載和車輛荷載均為不同形式的移動荷載。公路汽車荷載通常利用胎壓作為輪胎與路面的接觸壓力；雙光輪振動壓路機在工作過程中通常采用前輪振動的方式，振動輪對路面作用力大小可依據文獻[9]所提出的式(6)進行計算。

(6)

式中：G為振動輪重，取60 kN；F為激振力，取106 kN；ω為壓路機圓頻率，取421 rad/s；D為振動輪直徑，取1.2 m；L為振動輪寬，取2.24 m；t為振動輪轉動時間，s。

為了實現荷載在路面結構上的移動，利用Fortran語言編寫VDLOAD用戶子程序，并依據不同的荷載形式編寫相應的動力荷載表達式，完成標準軸載與壓路機振動荷載的施加。

將標準軸載移動速度設置為108 km/h，振動壓路機移動速度為4.5 km/h。為了節省計算時間，將2種荷載在路面上移動距離設置為3 m。

3 不同荷載形式下裂縫應力強度因子分析

通過計算，可以得到路面結構在不同荷載作用下的動力響應。不同位置處在移動標準軸載及振動壓路機荷載下的路面橫向位移云圖見圖4。

圖4 不同位置處2種荷載作用下路面橫向位移

由圖4可見，不同時刻荷載作用范圍以外的路面區域發生整體橫向位移，而荷載作用范圍區域內的橫向位移較小。這是由于荷載垂直作用于路面結構，荷載作用下的路面主要發生豎向變形，橫向變形較小，而荷載作用區域路面材料的壓縮對荷載范圍外的路面結構產生擠壓作用，從而使得兩側路面結構產生橫向位移。相比于標準軸載，壓路機的振動效應更為明顯，導致路面壓縮變形更大，從而使得壓路機作用下路面兩側產生更大橫向的位移值。

通過路面張開型裂縫的特點及式(5)可以看出，該類型裂縫產生主要取決于尖端兩側的橫向位移。因此利用有限元結果中荷載移動過程裂縫尖端處的橫向位移結合式(5)計算得到荷載移動至各個位置的應力強度因子，不同荷載作用下裂縫尖端應力強度因子對比見圖5。

圖5 不同荷載作用下裂縫尖端應力強度因子對比

由圖5可見，在2種荷載作用下，水泥混凝土層底裂縫尖端處的應力強度因子最大值均為5.88×10-3MPa·mm1/2，說明雖然振動壓路機荷載相比于標準軸載對路面結構有更大的作用力，但是兩者在行駛至路面裂縫正上方時裂縫尖端產生的應力大小相同，即：在水泥混凝土基層底有裂縫存在的條件下，施工荷載相比于車輛荷載并不會增加裂縫擴展的概率。同時可以注意到，裂縫尖端處的應力強度因子在振動荷載移動的初始階段明顯大于車輛標準軸載，這是因為振動壓路機迅速變化的激振力使得在加載初期路面結構出現較為明顯的振動，導致裂縫兩側突然出現較大的橫向位移。因此在施工過程中，振動壓路機啟動時盡量遠離舊水泥混凝土面板縱縫處，防止壓路機突然且劇烈的振動導致水泥混凝土板層可能存在的底裂縫發生擴展。

4 結語

本文通過對底路面結構常見的裂縫及形成機理進行分析，并利用ABAQUS有限元軟件針對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層過程中水泥混凝土板底可能存在的裂縫在施工及開放交通后的2種典型荷載作用下擴展的概率進行對比分析，得出以下結論。

1) 由于舊水泥混凝土路面真縫深度較深，導致加鋪施工前接縫填補不到位，使得改建完成后的路面存在反射裂縫的隱患。

2) 利用ABAQUS有限元軟件，模擬實現振動壓路機移動荷載與車輛標準移動軸載。計算表明，振動壓路機的高頻振動作用使得其作用下的路面結構產生更多的壓縮變形，從而使得作用范圍外路面兩側相比標準軸載產生更大的橫向位移。

3) 當2種荷載行駛至裂縫尖端正上方時，所產生的尖端處應力強度因子大小相同，表明相比于標準軸載來講振動壓路機荷載并不會增加層底裂縫擴展的概率。

4) 振動壓路機荷載在加載初期會較為明顯地提高裂縫尖端處的應力強度因子，因此在施工時需要注意不要在裂縫處啟動壓路機進行碾壓，以減小初期裂縫的開展。

5) 在原有開裂(含接縫)混凝土板和瀝青面層之間加鋪一層彈性模量較低、變形率較大的應力吸收層可有效地吸收和緩沖裂縫尖端剪應力的集中(奇異性)，具有較好的防止反射裂縫擴展的效果。