半剛性基層裂縫對瀝青路面使用性能的影響

羅惠文

(廣東省交通運輸建設工程質量檢測中心 廣州 510420)

0 引 言

半剛性基層瀝青路面改擴建、大修、二次加鋪等工程常涉及舊路面性能評估的問題，原半剛性基層內部的裂縫對加鋪后的路面路用性能影響一直是關注的重點，會直接影響舊路處治方案的決策．

針對此類問題，欒利強[1]基于斷裂力學理論和室內試驗，研究了半剛性基層瀝青路面裂縫擴展行為，通過考慮模量、厚度、層間粘結系數等因素的影響，回歸得到了疲勞壽命預估方程．李萍等[2]基于黏彈性斷裂力學理論和權函數法，分析了結構層厚度及荷載位置對基層反射裂縫的影響，得到了移動荷載作用下的不同裂縫擴展類型．宋健民等[3]分析了采用加鋪土工合成材料、增加柔性基層和應力吸收層三種措施對半剛性基層瀝青路面反射裂縫的防治效果，結果表明：通過增設層間處治結構層，可以提高瀝青路面的抗裂性能．高嫄嫄等[4]基于解析的方法，分析了影響基層裂縫反射的主要因素，研究結果表明：剪切破壞是裂縫擴展的主要形式，半剛性基層的彈性模量是影響裂縫反射的主要因素．張晶等[5]通過監測基層預鋸縫對應位置處路面結構層的應變、變形、溫度和測量路面橫縫密度對防裂基布的防裂效果進行了研究和評價．沈慶等[6-7]基于損傷力學模擬分析了半剛性基層瀝青路面的裂縫擴展路徑和路面破壞行為，表明粗集料的形狀及空隙率會對影響裂縫擴展的路徑．李月光等[8]對荷載型反射裂縫進行了有限元模擬計算,分析了不同罩面層厚度和夾層模量對瀝青加罩層力學響應的變化規律．金光來等[9]考慮了環境和材料等因素的影響,分析了橫向裂縫密度隨路齡的演變規律,建立演變模型進行了預測分析，表明橫向裂縫的宏觀演變規律呈現出初步發展、穩步發展、快速發展的三階段特征．

綜上所述，研究成果主要集中于裂縫擴展、擴展壽命預估及裂縫處治方面，偏向路面開裂后的行為研究及處治，關于基層裂縫的形式，也局限在分析單條橫縫或縱縫對路面使用性能的影響，未考慮裂縫的組合形式和裂縫的寬度等對路面使用性能的影響．文中通過對比分析不同裂縫形式、不同裂縫寬度下瀝青路面的力學行為，開展疲勞壽命對比分析，將研究重點放在半剛性基層存在的裂縫對還未開裂瀝青路面路用性能的影響．

1 有限元模型

1.1 計算模型

建立三維有限元模型，約定X、Y、Z分別為行車方向、橫斷面方向、深度方向．模型尺寸為X×Y=6 m×6 m，土基Z方向尺寸為6 m,其余結構層Z方向尺寸依據路面各層實際厚度而定．計算采用SOLID45等參八節點單元．

路面結構X方向采用對稱邊界條件，即U1=UR2=UR3=0，Y方向采用對稱邊界條件，即U2=UR1=UR3=0．對Z方向土基底部約束所有自由度，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0．

文中研究對象為半剛性基層瀝青路面改擴建、大修、二次加鋪等工程，考慮路面通車時間較長，各結構層之間層間接觸條件不再是完全連續，設置層間接觸系數為0.8．

采用雙矩形荷載接地形式，建立的三維有限元模型,見圖1．

1.2 結構參數

依托廣東省某高速公路改擴建工程實際路面結構，路面結構形式及材料參數設置見表1．

表1 路面結構形式及材料參數

2 計算方案

2.1 模擬方案

半剛性基層四種不同裂縫形式的有限元對比模擬分析，見表2．四個方案中，方案二、方案三、方案四均分別對比研究了裂縫寬度為1，5，10 mm的三種工況見圖2．基層無裂縫的工況簡稱W0，僅橫縫的工況簡稱Hi；基層單條橫縱縫交叉的工況簡稱HZi；多條橫縱縫交叉的工況簡稱HZHZi．其中，i為裂縫寬度，基層存在5 mm橫縱縫的工況簡稱為HZ5．

表2 有限元模擬方案

圖2 不同基層裂縫形式示意圖及荷載加載位置

2.2 加載位置

文獻[4]認為荷載對稱面與裂縫對稱面共面(見圖3)的位置為荷載作用最不利位置．因此，文中以該位置作為最不利荷載作用位置，圖2中雙矩形陰影加載面．

圖3 荷載作用位置

3 計算結果分析

為簡潔起見，以下各表中各層底最大縱向、橫向應力分別表示為S22、S11，各層底最大縱向、橫向應變分別表示為E22、E11．

各力學響應指標提取路徑示意圖見圖4．數據提取路徑為雙圓荷載沿X方向對稱軸線，方向為Y方向，范圍為荷載作用前后1.5 m范圍內．但對于基層而言，因路徑恰好位于裂縫區域．因此，先通過后處理查看最不利點位位置，后選擇該點位所在Y方向的直線為數據提取路徑．

圖4 數據提取路徑

3.1 彎沉對比分析

提取十種裂縫形式的路表彎沉值，見圖5．

圖5 十種裂縫形式下的路表彎沉分布

由圖5可知:彎沉基本沿荷載中心線呈對稱分布．在HZHZ工況下，因為多一條橫向裂縫，基層被再次分割，被分割板塊上方的路表彎沉下降幅度很大．

提取圖中十種裂縫形式的路表最大彎沉值，并計算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ變化過程中，路表最大彎沉呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的彎沉分別較之增加了18%、30%、34%．基層出現病害對路面結構的承載力有較大影響．③對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對彎沉幾乎無影響．

3.2 瀝青層底彎拉應力分析

提取十種裂縫形式下的瀝青層底彎拉應力值，見圖6．

圖6 十種裂縫形式的層底彎拉應力

由圖6可知:瀝青層底彎拉應力基本沿荷載中心線呈對稱分布．提取圖中十種裂縫形式的瀝青層底最大彎拉應力值，并計算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：① 基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，瀝青層底橫向和縱向應力均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分別較之增加了70%、100%、108%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之增加了63%、76%、90%．④S11大于S22；對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對瀝青層底最大彎拉應力幾乎無影響．

3.3 瀝青層底彎拉應變分析

提取十種裂縫形式下的瀝青層底彎拉應變值，見圖7．

圖7 十種裂縫形式的層底彎拉變

由圖7可知：瀝青層底彎拉應變基本沿荷載中心線呈對稱分布．提取圖中十種裂縫形式的瀝青層底最大彎拉應變值，并計算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，瀝青層底橫向和縱向應變均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分別較之增加了25%、30%、34%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分別較之增加了10%、23%、27%．④E11大于E22，對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對瀝青層底最大彎拉應變幾乎無影響．

3.4 基層底彎拉應力分析

提取十種裂縫形式下的基層底彎拉應力值，見圖8．

圖8 十種裂縫形式的基層底彎拉應力

由圖8可知:曲線大體呈對稱分布．在無裂縫和僅有橫縫時，曲線只有一個波峰；在HZ和HZHZ時，曲線有兩個波峰，原因也是由縱縫破壞基層的連續性所致．

提取圖中十種裂縫形式的基層底最大彎拉應力值，并計算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，基層底橫向和縱向應力大體呈下降趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分別較之減少了78%、79%、77%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之減少了-1%、28%、27%．相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之減少了10%、71%、68%．④無裂縫時，S11大于S22；有裂縫時，S22大于S11．基層裂縫的存在，改善了基層的受力狀態．

3.5 基層底彎拉應變分析

提取十種裂縫形式的基層底最大彎拉應變值，并計算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知： ①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的變化過程中，除H→HZ時，橫向彎拉應變增加，其余均減小．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分別較之減少了65%、56%、50%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分別較之減少了-13%、53%、46%．④無裂縫時，E11大于E22；有裂縫時，E22大于E11．基層裂縫的存在，改善了基層的變形狀態．

3.6 底基層底彎拉應力及應變分析

提取十種裂縫形式的底基層底彎拉應力值，見圖9．

由圖9可知:十種裂縫形式下的彎拉應力大體均呈對稱分布．提取十種裂縫形式的底基層底最大彎拉應力值，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，底基層底底橫向和縱向應力均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分別較之增加了114%、128%、137%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之增加了38%、127%、137%．④S11大于S22；對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對底基層底最大彎拉應力幾乎無影響．

圖9 十種裂縫形式的基層底彎拉應力

提取十種裂縫形式的底基層底最大彎拉應變值，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，底基層底底橫向和縱向應變均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分別較之增加了135%、130%、138%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分別較之增加了14%、130%、140%．④E11大于E22；對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對底基層底最大彎拉應變幾乎無影響．

4 疲勞壽命影響分析

4.1 按照2006版設計規范計算

1) 按照彎沉反算 參照2006版《公路瀝青路面設計規范式》式(8.0.5)[10]，疲勞壽命為

(1)

式中：Ne為疲勞壽命；ld為彎沉值．通過路表彎沉值反算得到的疲勞壽命見表3．

表3 通過彎沉反算的疲勞壽命

2) 按照層底拉應力反算 參照2006版《公路瀝青路面設計規范》式(8.0.6-1)、(8.0.6-2)及(8.0.6-3)，將式(1)轉化為

(1)

式中:σR為路面結構材料層底最大拉應力;σS為極限劈裂強度．瀝青層、半剛性底基層材料劈裂強度σs取0.6,0.4 MPa．瀝青層底、底基層底最大拉應力σR取值見表5．通過瀝青層底及底基層底彎拉應力反算的疲勞壽命計算結果見表4．需要說明的是，因為基層已設置了裂縫，本節不再考慮基層拉應力造成的疲勞開裂．

表4 通過層底彎拉應力反算的疲勞壽命

4.2 按照2017版設計規范計算

1) 根據瀝青混合料層永久變形量驗算 參照文獻[11],對比十種不同荷載形式的永久變形量，永久變形量與各分層厚度、等效溫度等因素有關．考慮本節僅為了對比裂縫對永久變形量的影響，而十種裂縫形式下，僅各分層頂面的豎向壓應力有變化，計算永久變形量的其他指標均不變，故固定公式中其他參數不變，僅分析豎向壓應力對永久變形量的影響．因此，比較的結果是相對值．

(3)

kRi=(d1+d2·zi)·0.973 1zi

(4)

(5)

(6)

(7)

按照規范的分層厚度要求，通過提取各分層頂面的最大豎向壓應力，代入式(3)中，取無裂縫時的永久變形量為標準值．結果見表5．

表5 十種裂縫形式下的永久變形量

由表5可知:基層有裂縫，對瀝青層永久變形量基本無影響．

2) 根據無機結合料穩定層疲勞開裂驗算 按照規范[11]對參數取值，根據底基層底彎拉應力計算的疲勞壽命見表6．

表6 根據彎拉應力反算的疲勞壽命

由表6可知:基層存在裂縫，對由底基層底彎拉應力計算的疲勞壽命有顯著影響．

3) 根據瀝青混合料層疲勞開裂驗算 按照規范[11]對參數取值，根據瀝青層底彎拉應變計算的疲勞壽命見表7．

表7 根據彎拉應變反算的疲勞壽命

由表7可知:基層存在裂縫，對由瀝青層底彎拉應變計算的疲勞壽命有顯著影響．

5 結 論

1) 半剛性基層出現裂縫，對瀝青路面的影響主要表現為：路表彎沉、瀝青層底彎拉應力應變、底基層層底彎拉應力應變增加；基層受力模式隨裂縫形式變化，總體而言，基層受力有所改善．

2) 半剛性基層出現裂縫，造成疲勞壽命的大幅度下降，下降幅度隨基層裂縫的發展而增加；而裂縫對瀝青層永久變形量基本無影響．在確定的裂縫形式下，裂縫的寬度對受力模式及疲勞壽命基本無影響．