考慮裂縫擴展的瀝青路面疲勞壽命預估方法

2022-03-05 13:37:22張邦如何偉能李玨池陳忠云

交通科技 2022年1期

張邦如何偉能李玨池陳忠云匡強

(1.佛山市廣佛肇高速公路有限公司佛山 528137； 2.佛山市交通科技有限公司佛山 528010；3.佛山市公路橋梁工程監測站有限公司佛山 528010)

反射裂縫是影響瀝青路面使用壽命的重要因素。影響瀝青路面反射裂縫擴展的因素包括車輛荷載作用、環境溫度作用、車輛行駛速度等，其中荷載作用是最重要的因素。因此，為分析荷載作用下反射裂縫的擴展規律，各國都展開了大量研究[1-2]。P.C.Paris提出了瀝青路面材料斷裂計算公式，Mariani對裂縫尖端的奇異性進行了數值模擬，Giner則采用小梁彎曲試驗測量了瀝青混合料的斷裂韌性。但多數研究集中于不同因素對于瀝青混合料疲勞性能的影響，而對于路面結構的疲勞損傷研究較少。因此，本文依托某道路拼接段進行路面結構性能演化研究，并將線彈性斷裂力學引入瀝青路面結構的反射裂縫破壞分析中，建立在基層中預制裂縫且裂縫擴展至瀝青層內1 cm的路面結構模型進行分析。

1 建立計算模型

1.1 荷載作用位置

裂縫擴展方式通常被斷裂力學劃分為3種，分別為：張開型裂縫、剪切型裂縫、撕開型裂縫。3種裂縫對應的應力強度因子分別記作：KI(I型)、KII(II型)、KIII(III型)。而在半剛性基層的瀝青路面結構中，在循環車輛荷載作用下引起的反射裂縫，主要是張開型和剪切型[3]。因此，本文選取以下2種最不利荷載位置。

1) 對稱荷載。荷載對稱作用于裂縫正中，對稱荷載施加示意見圖1a)。

2) 非對稱荷載。荷載作用于裂縫一側，非對稱荷載施加示意見圖1b)。

圖1 交通荷載最不利加載位置

1.2 確定等效荷載

依據路面設計規范規定[4]，選取100 kN標準軸載作為施加荷載，并將荷載進行面積等效化處理，簡化后得到的圓形和矩形面積尺寸見表1和圖2。

表1 等效荷載接觸面積尺寸

圖2 不同形式的均布荷載(單位：mm)

由表1可得，等效的圓形和矩形面積相對偏差均很小，考慮到實際建模中，是通過劃分矩形網格從而施加荷載，因此為簡化荷載施加方式，選擇將車輛軸載作用區域等效為矩形。

1.3 確定路面結構變量參數

1) AC層厚度。路面結構組合不同，瀝青面層(簡稱AC層)厚度變化范圍不同。綜合考慮各種防范措施的需要，確定AC層厚度為6～22 cm。

2) AC層模量。考慮到瀝青混合料在15～20 ℃時的抗壓彈性模量為600～2 200 MPa，擬定AC層彈性模量為600～2 200 MPa。

3) 半剛性層厚度。半剛性基層作為路面的主要的承重層，其厚度一般在16～32 cm之間，擬定半剛性基層厚度為16～30 cm。

4) 地基模量。為簡化路面結構模型，將底基層、墊層、土基根據彎沉等效原則等效為綜合性地基，擬定彈性模量為100～900 MPa。

綜上所述，主要計算參數見表2。

表2 主要計算參數

2 結構參數對應力強度因子的影響

通過改變不同的路面結構參量，從而計算荷載作用下應力強度因子的變化規律。

2.1 AC層厚度對應力強度因子的影響

在其他路面結構參量不變的情況下，改變AC層厚度，從而計算得到KI、KII，結果見圖3。

圖3 AC層厚度對應力強度因子的影響

由圖3得知，隨著AC層厚度的增加，應力強度因子逐漸減小，裂縫開裂趨勢減緩。當AC層厚度從6 cm增加到22 cm時，在行車荷載的作用下，KI由0.057 2 MN·m-3/2減小為0.019 MN·m-3/2，KII由0.288 1 MN·m-3/2減小為0.078 4 MN·m-3/2，KI、KII分別減小了65.8%和71.2%。

2.2 AC層模量對應力強度因子的影響

在其他路面結構參量不變的情況下，改變AC層模型，從而計算得到KI、KII，結果見圖4。

圖4 AC層模量對應力強度因子的影響

由圖4得知，當AC層模量從600 MPa增加到1 000 MPa時，KI由0.035 4 MN·m-3/2增加到0.041 6 MN·m-3/2，KII由0.172 1 MN·m-3/2增加到0.198 5 MN·m-3/2，KI、KII分別增加了15.9%和16.1%；當AC層模量從1 000 MPa增加到1 600 MPa時，KI增加到 0.043 6MN·m-3/2，KII增加到0.217 6 MN·m-3/2，KI、KII分別增加了4.8%和4.3 %；當AC層模量從1 600 MPa增加到2 200 MPa時，KI則減小到0.040 1 MN·m-3/2，KII則減小到0.197 8 MN·m-3/2，KI、KII分別減小了3.4%和4.1%。綜上，隨著AC層模量的增加，應力強度因子先增大再減小。

2.3 半剛性層厚度對應力強度因子的影響

在其他路面結構參量不變的情況下，改變半剛性層厚度，計算得到KI、KII，結果見圖5。

圖5 半剛性層厚度對應力強度因子的影響

由圖5得知，應力強度因子隨半剛性層厚度的增加呈增加的趨勢。當半剛性層厚度從16 cm增加到30 cm時，在行車荷載的作用下，KI由0.034 2 MN·m-3/2增加為0.049 0 MN·m-3/2，KII由0.166 3 MN·m-3/2增加為0.241 3 MN·m-3/2，KI、KII分別增加了43.2%和44.9%。

2.4 地基模量對應力強度因子的影響

在其他路面結構參量不變的情況下，改變地基模量，計算得到KI、KII，結果見圖6。

圖6 地基模量對應力強度因子的影響

由圖6得知，隨著地基模量的增加，應力強度因子逐漸減小，裂縫開裂趨勢減緩。當地基模量從100 MPa增加到900 MPa時，KI由0.053 9 MN·m-3/2減小到0.033 8 MN·m-3/2，KII由0.267 1 MN·m-3/2減小到 0.165 0 MN·m-3/2，KI、KII分別減小了36.9%和37.9%。

2.5 裂紋擴展長度對應力強度因子的影響

在其他路面結構參量不變的情況下，改變裂縫長度，計算得到KI、KII，結果見圖7。

圖7 裂紋擴展長度對應力強度因子的影響

由圖7得知，隨著初始裂縫長度的增加，張開型裂縫的應力強度因子逐漸減小設置到負值，剪切型裂縫的應力強度因子則一直在增加，且隨著裂縫長度的增加，應力強度因子的增加幅度也在增大，即裂縫擴展的趨勢越來越強烈。因此，張開型裂縫僅在裂縫擴展初期起作用，剪切型裂縫才是控制裂縫擴展行為的主要因素。

2.6 裂縫寬度對應力強度因子的影響

在其他路面結構參量不變的情況下，改變裂縫寬度，計算得到KI、KII，結果見圖8。

圖8 裂縫寬度對應力強度因子的影響

由圖8得知，隨著裂縫寬度的增加，KI逐漸增加，KII則起伏較大。當裂縫寬度從6 mm增加到8 mm時，KI由0.025 8 MN·m-3/2增加為0.030 9 MN·m-3/2，KII由0.200 1 MN·m-3/2減小到0.189 1 MN·m-3/2，KI增加了16.5%，KII減小了3.9%；當裂縫寬度增加到10 mm時，KI增加為0.040 5 MN·m-3/2，KII減小到0.206 8 MN·m-3/2；當裂縫寬度增加到14 mm時，KI增加為0.045 8 MN·m-3/2，KII減小到0.182 1 MN·m-3/2，KI增加了4.23%，KII減小了10.4%。

綜上，分析各因素對KI影響權重可知，AC層厚度、半剛性層厚度、裂縫擴展長度影響最大，其次為地基模量、裂縫擴展寬度和AC層模量。

分析各因素對KII影響權重可知，AC層厚度、半剛性層厚度、地基模量、裂縫擴展長度的影響最大，其次為裂縫擴展寬度和AC層模量。