路面反射裂縫影響規(guī)律及處治措施效果評(píng)價(jià)

焦 一，馮 曉，張淑雅，裴鑫雨，楊秀永

(1. 重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院 重慶市 400000； 2.秀山公路局 秀山縣 409900)

優(yōu)良的路面技術(shù)狀況是營(yíng)運(yùn)高速公路維持較高服務(wù)水平的重要基礎(chǔ)。在營(yíng)運(yùn)高速公路瀝青路面的大中修養(yǎng)護(hù)中，路面反射裂縫由于其裂縫開(kāi)裂層位深、裂縫寬度大、裂縫間距小等特點(diǎn)，一直以來(lái)都是導(dǎo)致路面技術(shù)狀況下降的主要病害類(lèi)型。

以典型營(yíng)運(yùn)高速公路的路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，從路面結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析反射裂縫的影響規(guī)律，通過(guò)疲勞試驗(yàn)對(duì)比不同抗裂材料的抗裂效果，并通過(guò)實(shí)際跟蹤觀測(cè)匯總分析大流量重載交通條件下不同養(yǎng)護(hù)維修方案的保存壽命。

1 反射裂縫成因分析

反射裂縫形成的原因主要是半剛性基層開(kāi)裂，由于此類(lèi)材料會(huì)在外界溫度以及濕度發(fā)生較大變化時(shí)出現(xiàn)收縮甚至造成開(kāi)裂的現(xiàn)象，因此，水會(huì)沿著縫隙流入到路面內(nèi)部，造成半剛性基層頂面發(fā)生水軟化層現(xiàn)象，這降低了面層和基層的聯(lián)結(jié)，同時(shí)在動(dòng)水壓力下容易出現(xiàn)基層唧泥現(xiàn)象，由此造成基層無(wú)法良好地傳遞行車(chē)荷載，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青面層發(fā)生較為明顯的開(kāi)裂[1]。

2 反射裂縫影響因素分析

為了準(zhǔn)確分析瀝青面層反射裂縫的影響規(guī)律，運(yùn)用ABAQUS建立符合路面實(shí)際工況的三維有限元模型，對(duì)行車(chē)荷載作用下基層開(kāi)裂處瀝青結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

(1)模型參數(shù)

參照雙向四車(chē)道高速公路路面結(jié)構(gòu)形式設(shè)置模型參數(shù)見(jiàn)表1。模型結(jié)構(gòu)尺寸方面，為了保證路面的受力完整性，在模型中設(shè)置基礎(chǔ)，基礎(chǔ)為半無(wú)限大空間地基的特征，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的形式。其中，選取面層厚度和基層裂縫寬度為可變參數(shù)。

表1 模型參數(shù)

(2)邊界條件

在ABAQUS有限元模型中，應(yīng)力邊界的差異對(duì)求出的模型中各個(gè)單元的應(yīng)力和位移的影響很大。所以為了保證求解過(guò)程的準(zhǔn)確性和求解精度，本次ABAQUS有限元計(jì)算模型采用水平方向的邊界約束。

除了設(shè)定計(jì)算模型的邊界條件之外，考慮到路面結(jié)構(gòu)層狀的特點(diǎn)，還需要設(shè)定層間基礎(chǔ)條件。基于層間接觸完全連續(xù)的基本假設(shè)，在ABAQUS有限元中，可以選用tie、rough、層間剖分三種層間接觸條件都能實(shí)現(xiàn)。但三種條件存在一定的區(qū)別，rough層間接觸條件要占用更多 CPU 時(shí)間。在分層體系結(jié)構(gòu)的仿真中，層間完全連續(xù)的層間接觸可以直接連接到一個(gè)部分與領(lǐng)帶的建立。但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了方便處理，采用綁扎連接將不同部分之間連接在一起。

(3)加載方式和位置

用ABAQUS有限元計(jì)算模型的荷載選取標(biāo)準(zhǔn)交通軸載 BZZ-100，同時(shí)取0.7MPa的輪胎內(nèi)壓。按照既定的荷載應(yīng)力等效原則，將標(biāo)準(zhǔn)交通軸載等效換算成相對(duì)簡(jiǎn)單的方形載荷。

通過(guò)對(duì)比分析不同行車(chē)荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值，我們能夠得知：若荷載為處于特定的橫縫、縱縫相交板區(qū)域的偏荷載時(shí)，為最不利的荷載應(yīng)力位置，將對(duì)瀝青面層最不利的荷載應(yīng)力位置作為ABAQUS有限元計(jì)算模型的荷載加載位置[2]。

(4)網(wǎng)格劃分

應(yīng)該適度地加密模型中重要部位的網(wǎng)格，如計(jì)算模型中應(yīng)力較大的位置、荷載作用的位置，而對(duì)于計(jì)算模型中的其他部位，則可以擴(kuò)大其它位置的網(wǎng)格。

2.2 面層結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析

通過(guò)ABAQUS有限元建立計(jì)算模型，對(duì)不同厚度下結(jié)構(gòu)層的荷載應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，偏載作用下最不利位置A的應(yīng)力分布狀態(tài)如圖1所示。

圖1 偏載作用下最不利位置處應(yīng)力云圖

為了從路面結(jié)構(gòu)力學(xué)角度研究瀝青厚度和基層裂縫寬度對(duì)反射裂縫的影響規(guī)律，在保證計(jì)算模量其它參數(shù)為定值的基礎(chǔ)上，將瀝青面層厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，讓其從原先的18cm增長(zhǎng)到22cm，以及基層裂縫寬度0.5cm增加至1cm，分別得出偏載作用下最不利位置A的最大剪應(yīng)力，見(jiàn)圖2。

圖2 A點(diǎn)最大剪應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)模擬信息我們能夠得知：若將瀝青層厚度設(shè)定為18cm，那么與之對(duì)應(yīng)的裂縫寬度將為四個(gè)目標(biāo)值，其依次排序?yàn)?cm、0.7cm、0.4cm以及0.1cm時(shí)，相應(yīng)的最大剪應(yīng)力也將分別為0.112MPa、0.096MPa、0.076MPa以及0.038MPa，不難看出，若裂縫寬度發(fā)生持續(xù)變窄，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯弱化，相對(duì)于1cm的裂縫寬度，下降幅度分別為15.3%、32.2%、66.1%。因此，在高速公路養(yǎng)護(hù)維修中，縫寬較窄的早期溫縮裂縫，采取罩面加鋪或銑刨重鋪的措施，可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持路面技術(shù)狀況；縫寬較寬的反射裂縫，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，處治后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)二次開(kāi)裂的情況，應(yīng)對(duì)反射裂縫為典型病害的路段針對(duì)性地進(jìn)行抗裂設(shè)計(jì)，抑制反射裂縫的發(fā)展速率。

當(dāng)裂縫寬度為1cm時(shí)，瀝青層所對(duì)應(yīng)的厚度將為四個(gè)目標(biāo)值，它們分別為18cm、20cm、22cm以及24cm，并且與之對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)力也將各自表示為0.112MPa、0.103MPa、0.088MPa和0.064MPa，瀝青結(jié)構(gòu)層厚度的增加，可以有效弱化開(kāi)裂處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)于18cm的瀝青厚度，下降幅度分別為9.1%、21.5%、42.9%。目前，營(yíng)運(yùn)公路通常采用18cm的瀝青結(jié)構(gòu)層，厚度相對(duì)較薄，對(duì)于反射裂縫為典型病害的路段，在養(yǎng)護(hù)維修類(lèi)型決策時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用罩面加鋪代替銑刨重鋪，逐年增加瀝青結(jié)構(gòu)層厚度，恢復(fù)路面技術(shù)狀況的同時(shí)，還可以達(dá)到抑制反射裂縫發(fā)展的作用。

綜上所述，隨著厚度的增加和裂縫寬度的減少，最不利位置的最大剪應(yīng)力明顯下降，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱。

3 處治措施及效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)反射裂縫影響規(guī)律的分析可以看出，對(duì)于反射裂縫為典型病害的路段的養(yǎng)護(hù)維修措施，特別是大流量重載交通的營(yíng)運(yùn)高速公路，為了延長(zhǎng)處治后的使用壽命，保證全壽命養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)合理，在養(yǎng)護(hù)維修措施中鋪設(shè)抗裂材料是必要的。目前用于瀝青路面的抗裂材料種類(lèi)繁多，主要包括無(wú)紡?fù)凉げ肌⑷埘ゲ嫉萚3]。

從材料自身性能出發(fā)，結(jié)合與養(yǎng)護(hù)維修方案的適用性對(duì)比，對(duì)抗裂材料和措施的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 不同抗裂材料性能對(duì)比

采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋪設(shè)抗裂材料的試件進(jìn)行剪切疲勞加載試驗(yàn)，通過(guò)剪切疲勞加載次數(shù)表征無(wú)土工材料以及增設(shè)無(wú)紡?fù)凉げ肌⑷埘ゲ?、聚酯玻纖維布和抗裂貼的抗裂效果。

(1)試驗(yàn)方案

瀝青面層反射裂縫出現(xiàn)后,通常將會(huì)出現(xiàn)2種發(fā)展形式：一種形式為張開(kāi)型，另一種形式為剪切型，后者產(chǎn)生的幾率較大[4]。因此針對(duì)試驗(yàn)加載應(yīng)力選擇上，選用剪切加載方式。

具體的結(jié)構(gòu)模型為：面層材料將采用改性AC-13混合料，其對(duì)應(yīng)的厚度為5 cm，瀝青方面選擇主要以SBS改性瀝青為核心，油石比為4.9%，級(jí)配符合既定需求?；鶎訛樗喾€(wěn)定碎石，其對(duì)應(yīng)的摻量為4.5%，厚度將設(shè)定在20cm。黏層油選取的是改性乳化瀝青，灑布量設(shè)定為0.6～0.8 kg/m2區(qū)間。針對(duì)每組試驗(yàn)，我們將以標(biāo)準(zhǔn)形式開(kāi)展3個(gè)平行試驗(yàn)，并取平均值來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，隨后對(duì)其展開(kāi)科學(xué)的系統(tǒng)分析[5]。

(2)結(jié)果分析

采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)無(wú)土工材料以及鋪設(shè)無(wú)紡?fù)凉げ?、全聚酯布、聚酯玻纖布和抗裂貼的試件分別進(jìn)行循環(huán)加載，各組試件在循環(huán)荷載作用下所得到的既定加載次數(shù)信息由圖3可知。

圖3 MTS剪切疲勞試驗(yàn)加載次數(shù)結(jié)果

通過(guò)圖3我們能夠得知，由于循環(huán)剪切產(chǎn)生的作用，相比無(wú)土工材料，鋪設(shè)無(wú)紡?fù)凉げ?、全聚酯布、聚酯玻纖布和抗裂貼，初裂疲勞加載次數(shù)以及終裂疲勞加載次數(shù)都實(shí)現(xiàn)了較大程度的提升，而具體來(lái)講，前者加載次數(shù)分別提升了 86%、119%、133%、142%，后者加載次數(shù)分別提升了41%、76%、149%、164%，能夠得知，當(dāng)鋪設(shè)了相應(yīng)的抗裂材料之后，由于MTS剪切產(chǎn)生的既定作用，能夠?qū)α芽p位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)良好消除，從而再一次促進(jìn)應(yīng)力的重新分布，如此一來(lái)，將能夠?qū)Ψ瓷淞芽p發(fā)展起到良好的抑制作用。

對(duì)比抗裂成效，我們能夠得知，抗裂貼消除裂縫處的應(yīng)力集中，其成效最為顯著，特別表現(xiàn)在終裂疲勞加載次數(shù)方面，其相對(duì)于鋪設(shè)無(wú)紡?fù)凉げ继嵘?7.3%、相對(duì)于全聚酯布提升了50.3%、相比于聚酯玻纖布提升了5.9%。但抗裂貼僅適用于單條裂縫的處治，無(wú)法應(yīng)用于反射裂縫密集路段的整體性處治。

3.2 抗裂方案設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

(1)處治的方案設(shè)計(jì)

基于抗裂性能的處治方案采用銑刨重鋪并鋪設(shè)聚酯玻纖布的方案，同時(shí)選取連片車(chē)道式銑刨重鋪的處理方法，根據(jù)銑刨瀝青結(jié)構(gòu)層厚度和聚酯玻纖布鋪設(shè)層位不同，詳細(xì)方案有四種：

方案一：銑刨重鋪兩層原瀝青面層，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料，并壓實(shí)縫邊。

方案二：銑刨重鋪兩層原瀝青面層，下承面滿(mǎn)鋪聚酯玻纖布，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料，并壓實(shí)縫邊。

方案三：銑刨重鋪兩層原瀝青面層，下承面和中上面層間均滿(mǎn)鋪聚酯玻纖布，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料，并壓實(shí)縫邊。

方案四：銑刨重鋪三層原瀝青面層，下承面滿(mǎn)鋪聚酯玻纖布，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料+8cmATB-25瀝青混合料，并壓實(shí)縫邊。

(2)抗裂效果評(píng)價(jià)

為了真實(shí)評(píng)價(jià)四種方案的抗裂效果，對(duì)四種處治方案實(shí)施后的試驗(yàn)路段進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，由于觀測(cè)時(shí)間有限，觀測(cè)時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)裂縫的觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)反射裂縫時(shí)間評(píng)定為60個(gè)月。

通過(guò)對(duì)實(shí)際處治后跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，可以得出：采取方案一，處治后原深層裂縫短期內(nèi)快速反射至瀝青表層。

采用鋪設(shè)聚酯玻纖布的處治方式(方案二)，能夠在一定程度上對(duì)反射裂縫發(fā)展速率進(jìn)行良好抑制，然而對(duì)于大流量重載交通荷載的路段，也只能維持2年左右。且波動(dòng)較大，說(shuō)明當(dāng)原路面深層裂縫縫寬較大時(shí)，該方案延緩反射效果有限。

加深銑刨重鋪厚度和鋪設(shè)多雙層聚酯玻纖布的處治方式(方案三和方案四)，可以明顯抑制反射裂縫發(fā)展速率，基本可以使處治后的瀝青面層在一個(gè)中修周期內(nèi)不出現(xiàn)二次開(kāi)裂。

在跟蹤觀測(cè)的結(jié)果中，雖然方案4的處治效果略?xún)?yōu)于方案三，但方案四的處治費(fèi)用遠(yuǎn)高于方案三，因此，對(duì)于大流量重載交通條件下，采用方案三處治反射裂縫密集路段，恢復(fù)其路面技術(shù)狀況，技術(shù)經(jīng)濟(jì)最合理。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用ABAQUS建立計(jì)算模型，分析路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)明隨著厚度的增加和裂縫寬度的減少，最不利位置的最大剪應(yīng)力明顯下降，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱。

基于MTS剪切疲勞加載次數(shù)來(lái)表征出各抗裂材料的抗裂效果，得出鋪設(shè)聚酯玻纖布可以有效抑制反射裂縫的發(fā)展速率，相對(duì)于無(wú)土工材料的試件，其初裂疲勞加載次數(shù)和終裂疲勞加載次數(shù)提高133%和50.3%。

設(shè)計(jì)了四種鋪設(shè)聚酯玻纖布的養(yǎng)護(hù)維修方案，通過(guò)對(duì)處治后效果的跟蹤觀測(cè)，得出對(duì)于大流量重載交通條件下，采用方案三處治反射裂縫密集路段，恢復(fù)其路面技術(shù)狀況，技術(shù)經(jīng)濟(jì)最合理。