半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫影響因素分析

胡海彥　張　濤

(黃河水利職業技術學院　開封　475004)

半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫影響因素分析

胡海彥張濤

(黃河水利職業技術學院開封475004)

摘要借助ABAQUS有限元計算平臺，應用斷裂力學理論，綜合分析半剛性基層瀝青路面反射裂縫影響因素及影響程度，并對分析結果進行極差分析。結果表明，瀝青層模量對半剛性基層瀝青路面反射裂縫尖端應力強度因子影響程度最大，增大瀝青層模量將顯著增加裂縫尖端應力強度因子；基層-土基層間粘結狀況對反射裂縫尖端應力強度因子的影響僅次于瀝青層模量；半剛性基層及土基模量對反射裂縫尖端應力強度因子影響最小。因此，在采用高模量瀝青層增加瀝青路面結構抗永久變形能力同時，應注意其對半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫能力的不良影響。

關鍵詞道路工程瀝青路面反射裂縫應力強度因子有限元

高速公路半剛性基層瀝青路面占已建高速公路通車總里程的3/4，研究控制該種瀝青路面結構破損對路面的使用壽命、提高瀝青路面服務能力有重要意義。瀝青混凝土路面主要破壞形式分為疲勞裂縫與永久變形。一方面，為增加瀝青路面抗永久變形能力，瀝青面層可采用高模量瀝青混凝土；另一方面，增加面層模量對瀝青路面抗裂能力影響尚未評估。雖在一定程度上講，瀝青路面裂縫不可避免，但通過適當結構設計與材料設計，可最大程度減小及延緩裂縫出現的時間與密度，達到控制路面開裂的目的。已有研究發現，半剛性基層反射裂縫已成為高速公路主要破壞形式之一，并嚴重影響瀝青路面使用壽命。針對瀝青路面反射裂縫，目前研究認為其主要集中于面層反射裂縫上，認為基層已經形成貫穿裂縫，在此基礎上研究裂縫在面層中擴展機理[1]。基于線彈性斷裂力學理論，將瀝青混凝土視為線彈性材料，對其含裂縫瀝青混凝土結構進行分析[2]。同時，為抑制瀝青路面反射裂縫，武賢惠等[3]通過瀝青路面反射裂縫足尺疲勞試驗驗證玻璃格柵瀝青混凝土、GoodRoadII纖維增強瀝青混凝土抑制低溫反射裂縫能力，并對成因進行分析；葛折圣等[4]通過理論分析與試驗結果修正由Alliche等提出的疲勞損傷力學模型，并將其用于瀝青混合料裂縫分析，表明該損傷演化模型的有效性。鄭健龍等[5]研究者基于斷裂力學與有限元理論，分析路面破損并取得一定成果。本文在已有研究成果基礎上，借助ABAQUS有限元計算平臺，分析車輛載荷作用下，瀝青路面層間狀況及采用高模量抗永久變形瀝青混凝土面層半剛性基層瀝青路面反射裂縫I型應力強度因子變化情況，為全面評估瀝青路面抗永久變形及抗反射裂縫能力提供依據。

1理論分析方法

1.1　I型應力強度因子KI

由于實際問題的復雜性，較難取得裂縫尖端應力強度因子解析解，可借助有限單元法數值計算得到。裂縫尖端建立局部坐標系，取路面結構三維模型，其應力強度因子可由裂尖奇異單元位移插值并通過圍線積分獲得，其中I型應力強度因子可表示為[6]

(1)

式中：E(T,t)為裂縫尖端瀝青混凝土勁度模量；μ為瀝青混凝土泊松比；v(T,t)為裂縫面張開位移；r為裂縫尖端局部坐標系徑向位移。

1.2　層間接觸

研究層間狀況對半剛性基層瀝青路面反射裂縫的影響，通過在路面層間引入接觸單元，模擬路面結構層接觸效應。本研究采用基于罰算法的瀝青路面層間接觸模型，可表示為

(2)

2路面結構模型及裂縫奇異網格

2.1　理論分析基本結構

為便于路面結構分析計算，將路面結構簡化為3層體系，分別分析面層與基層、基層與土基接觸與各層模量變化對瀝青層層底裂縫尖端應力強度因子的影響。

其中，計算采用結構形式、厚度及材料參數，取值參照公路瀝青路面設計規范[7]，其他材料參數參照相關研究成果[8]，見表1。

表1　路面結構及材料參數

2.2　路面結構模型

瀝青路面模型尺寸對計算結果影響較大。路面結構模型尺寸取值過小，邊界對路面結構變形影響過大；模型尺寸取得過大則耗費更多內存與時間。通過以往研究對路面結構尺寸路面變形敏感性分析，本研究取路面結構橫向寬度尺寸為6 m×6 m，路基深度取為6 m，其他路面結構層度按實際厚度取值。路面結構模型及裂縫分布見圖1。單元類型為C3D8R。

a)路面結構模型b)內部裂縫面(陰影部分)

圖1路面結構模型及裂縫分布示意圖

其中，裂縫網格中陰影部分位置處為裂縫，基層為貫穿裂縫，面層內部裂縫深度設為2 cm。

2.3　輪胎接地模型

輪胎接地參照《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)，將100 kN雙圓均布載荷近似為輪胎矩形接地，接地模型見圖2，接地壓力為0.7 MPa。

圖2　標準軸載輪胎接地矩形近似示意圖(單位：cm)

3計算結果分析

3.1　層間狀況對反射裂縫尖端應力強度因子影響

假定面層與基層連接狀況良好，半剛性基層裂縫向瀝青面層反射，分析半剛性基層存在貫穿裂縫，瀝青層內存在2 cm反射裂縫情況下，裂縫尖端應力強度因子隨基層與土基之間連接狀況的變化情況見圖3。

圖3　基層-土基層間粘結系數對反射

由圖3可見，半剛性基層與土基之間層間粘結系數對半剛性基層瀝青路面反射裂縫尖端應力強度因子影響明顯：土基-半剛性基層層間狀況由光滑變為接近連續，瀝青面層裂縫尖端應力強度因子KI由0.367 7 MPa·m1/2減小為0.084 21 MPa·m1/2，減小0.283 5 MPa·m1/2，減小量占光滑狀況應力強度因子的77%。因此，增加基層與土基之間層間粘結狀況對減小反射裂縫應力強度因子有較大作用。

3.2　瀝青面層模量對反射裂縫尖端應力強度因子的影響

瀝青面層模量增加可增加瀝青路面結構抗永久變形能力，其對半剛性基層瀝青路面抗反射裂縫能力的影響見圖4。

圖4　面層模量對反射裂縫尖端應力強度因子的影響

由圖4可見，增加面層模量對半剛性基層瀝青路面抗反射裂縫能力產生嚴重不利影響：瀝青面層模量由2 000 MPa普通瀝青混凝土到高模量瀝青混凝土16 000 MPa，瀝青面層內部反射裂縫尖端應力強度因子由0.159 4 MPa·m1/2增加到0.917 8 MPa·m1/2，增加5.76倍。因此，增加面層模量抵抗瀝青路面結構抗車轍變形能力的同時，應注意平衡其抗半剛性基層瀝青路面反射裂縫的能力。

3.3　基層模量對反射裂縫尖端應力強度因子影響

基層模量對瀝青路面面層裂縫尖端應力強度因子的影響見圖5。

圖5　基層模量對反射裂縫尖端應力強度因子的影響

分析圖5可知，增加基層模量可一定程度上減小路面反射裂縫尖端應力強度因子：基層模量由1 000 MPa增加到4 000 MPa，應力強度因子由0.167 5 MPa·m1/2減到0.002 34 6MPa·m1/2，減小98.6%。但同時應注意，過分增加基層水泥摻量有可能導致更多收縮裂縫。因此，對基層模量與減小反射裂縫應注意平衡。

3.4　土基模量對反射裂縫尖端應力強度因子影響

土基模量對瀝青路面面層裂縫尖端應力強度因子的影響見圖6。

圖6　土基模量對反射裂縫尖端應力強度因子的影響

分析圖6可知，增加土基模量對半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫能力有利：土基模量由40 MPa增加到140 MPa，瀝青面層反射裂縫尖端應力強度因子由0.100 7 MPa·m1/2減小到0.026 84 MPa·m1/2，減小73.2%。因此，增加土基模量對增加半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫能力有利。

3.5　反射裂縫尖端應力強度因子極差分析

綜合分析各影響因素對反射裂縫尖端應力強度因子極差，見表2。

表2　反射裂縫尖端應力強度因子極差分析

由表2可見，面層模量對反射裂縫尖端應力強度因子影響程度最大，其次為層間狀況，再次為基層模量，土基模量對尖端應力強度影響程度最小。

4結論

(1) 瀝青層模量對半剛性基層瀝青路面反射裂縫應力強度因子影響最大。因此在增加瀝青層模量提高路面結構抗永久變形能力同時，應注意瀝青混合料模量對反射裂縫的不利影響。

(2) 應充分注意瀝青路面結構層層間粘結狀況，并采取措施改進半剛性基層與土基直接粘結狀況，增強半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫的能力。

(3) 基層模量與土基模量對半剛性基層瀝青路面結構抗反射裂縫能力有一定影響，但較瀝青層模量相比要小得多。

參考文獻

[1]王金昌,趙穎華.含反射裂縫瀝青路面的疲勞變溫損傷分析[J].巖土工程學報,2001,23(6):669-671.

[2]陳仕周,倪小軍.橋面鋪裝與路面溫度差異研究[J].中國公路學報,2005,18(2):56-60.

[3]武賢慧,張登良,李德超.瀝青路面反射裂縫足尺試驗[J].長安大學學報:自然科學版,2003, 23(6):4-6.

[4]葛折圣,黃曉明.運用損傷力學理論預測瀝青混合料的疲勞性能[J].交通運輸工程學報,2003(1):40-42.

[5]鄭健龍,應榮華,張起森.瀝青混合料熱粘彈性斷裂參數研究[J].中國公路學報,1996(3):20-28.

[6]王金昌,朱向榮,葉俊能,等.動荷載作用下含裂縫公路結構體的應力強度因子[J].振動工程學報,2003,16(1):114-118.

[7]TG D50-2006公路瀝青路面設計規范[S]. 北京：人民交通出版社，2006.

[8]單景松,黃曉明,廖公云.移動荷載下路面結構應力分析[J].公路交通科技，2007,24(1):10-13.

收稿日期：2015-09-01

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.024