水泥混凝土路面加铺沥青面层结构抗裂缝扩展性能研究

赖世桂

（龙岩市公路局，福建龙岩 364000）

0 前言

反射裂缝是水泥混凝土路面加铺沥青层结构的早期典型病害。目前防反措施类型主要有：（1）增加沥青层厚度；（2）沥青层的切缝灌缝；（3）设置薄夹层：土工布、玻纤格栅、应力吸收层、防水卷材；（4）设置补强层：大粒径沥青碎石、级配碎石、水泥稳定碎石；（5）断裂稳固水泥混凝土板。其中最广泛采用的防反技术为设置薄夹层。

然而，在比较各种措施的防裂效果方面，目前评价防反效果选取的指标单一，对于反射裂缝的开裂，研究多以沥青加铺层应力集中区域的应力值作为评价指标[1]～[3]。在反射裂缝扩展方面，多以应力强度因子和Paris裂缝扩展寿命作为评价指标[3]～[5]。不同防反措施与加铺层厚度、扩展寿命之间未建立量化关系。

基于以上，本文采用ABAQUS三维有限元软件，对不同防反措施延缓反射裂缝扩展效果进行了研究。

1 有限元分析模型

1.1 基本假设

（1）各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；

（2）各层层间竖向、水平位移均连续；

（3）基础底面各向位移为零，基础侧面水平方向位移为零；

（4）不考虑路面结构的自重影响；

（5）接缝宽度假设为l cm（无特殊说明认为接缝无传荷能力）。

以上基本假设适用于反射裂缝开裂和扩展分析模型，扩展模型中反射裂缝是沿路面板宽度方向的贯通裂缝。

1.2 荷载参数

标准轴载。

1.3 材料参数与模型尺寸

为简化模型的复杂性，将旧水泥路面板以下的基层、垫层、路基转化为同一结构层。

模型的边界条件：采用Tie联结模拟各结构层完全连续接触，接触面各节点x、y、z方向上具有相同的自由度，路面结构侧面水平方向的位移为0，基础底面x=y=z=0。

分析模型尺寸：长×宽=10.01 m×4.5 m，基础的尺寸：长×宽×深=12.01 m×6.5 m×9 m，如图1所示。

图1 路面计算模型

结构层的弹性参数和热特性参数见表1、表2所列，其中防裂贴沿横缝对称铺贴的宽度为0.3 m。

1.4 路面接缝的模拟

水泥混凝土路面接缝通过传力杆系统、集料嵌锁系统或传力杆及集料嵌锁系统传递荷载，且以剪力为主。因此，可在接缝两侧对应结点设置剪切弹簧单元（Spring2）实现接缝传荷模拟。

表1 结构层的弹性参数一览表

表2 结构层的热特性参数一览表（单位：l/℃）

接缝侧面的结点可分为板角、板边和板中结点。按照接缝传荷能力的“贡献面积”刚度分配原则[6]，得到接缝总刚度分配到各节点上的等效刚度。

1.5 有限元网格划分

对于开裂分析模型，除土工布、玻纤格栅和防裂贴采用三维薄膜单元（M3D4R）外，其余结构层采用8节点实体单元（C3D8）。

对于扩展分析模型，为模拟裂缝尖端应力与应变场的奇异性，裂缝尖端周边的单元采用具有四分之一结点的奇异单元。它是将20结点常规单元的中间结点向裂缝尖段靠拢得到。其他区域的单元仍采用20结点的常规单元。围绕裂缝尖端的第一行单元半径小于裂缝长度的1/8，在圆周大约每隔30°～40°有一个单元，如图2所示。

图2 裂缝尖端的单元网格图

2 应力强度因子的变化规律

鉴于土工合成材料和应力吸收层是目前防治反射裂缝应用最为广泛的措施类型，再以此重点对比设置土工布、玻纤格栅和应力吸收层延缓反射裂缝扩展的效果。

通过分析不同防反措施的应力强度因子K2随反射裂缝扩展深度的变化规律，如图3～图5所示。

图3 △ω=0.003 8 mm时不同防反措施的曲线图

图4 △ω=0.063 9 mm时不同防反措施构的曲线图

图5 △ω=0.215 5 mm时不同防反措施结构的曲线图

研究发现，不同防反夹层的应力强度因子K2变化既有相似之处也存在差异点，具体如下：

（1）对于土工布和玻纤格栅，在旧路接缝弯沉差很小情况下，两者的应力强度因子K2几乎相等，如图3所示。当接缝弯沉差较大时，在裂缝扩展初期（裂缝长度为1～3 cm），玻纤格栅的略小于土工布，如图4、图5所示。可见高模量的玻纤格栅减小是深度范围的，当裂缝尖端逐渐远离“膜”结构时，“膜”结构的拉伸模量对减小的程度差异减小。

（2）由于防裂贴仅沿横缝设置，减小值低于土工布。

（3）应力吸收层和防裂贴+应力吸收层组合结构，随裂缝扩展深度变化率大于其他结构，减小值与裂缝扩展阶段、接缝弯沉差有关。

当裂缝扩展深度小于加铺层厚度的一半，应力吸收层的低于直接加铺结构。

在裂缝扩展后期（裂缝长度在5～10 cm）的减小值与接缝弯沉差有关。在接缝弯沉差较大时，应力吸收层与直接加铺结构接近，而在接缝弯沉差很小（△ω=0.003 8 mm）时，应力吸收层的K2值反而增大。

（4）综合比较土工布、玻纤格栅和应力吸收层减小裂缝面尖端应力强度因子的效果：在裂缝扩展前期（裂缝长度1～3 cm），防裂贴+应力吸收层最优，其次为应力吸收层效果，玻纤格栅和土工布最差；在裂缝扩展后期（裂缝长度大于3 cm），玻纤格栅和土工布的效果优于应力吸收层、防裂贴+应力吸收层。

3 扩展寿命的变化规律

利用Paris公式[7]估计裂缝扩展寿命：

式中：△K——应力强度因子的变化量，MPa×cm1/2；A，n——材料疲劳断裂参数（本文取A=3.5×10-6，n=3）；c0——裂缝的初始长度，cm（Yongqi Li取

0.69 cm[8]，Lytton 取 0.76 cm[9]，Myers取

0.5 cm[10]，本文假定 c0=0.5 cm）；

cr——临界裂缝长度，取结构层厚度；

N——裂缝从初始长度扩展至临界裂缝长度

时荷载的循环次数。

分析不同防反措施对扩展寿命的影响，发现设置防反措施后，反射裂缝扩展寿命显著增加，且在弯沉差小于0.06 mm范围内受弯沉差影响显著，如图6。

表3为不同防反措施扩展寿命与弯沉差的函数关系，比较发现不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差的衰减速率大小为：防裂贴+应力吸收层最大，依次为应力吸收层，玻纤格栅，土工布，直接加铺。可见设置防反夹层后，加铺结构对旧路接缝弯沉差更为敏感。

图6 不同防反措施接缝弯沉差与疲劳扩展寿命的关系曲线图

表3 不同防反措施的扩展寿命与弯沉差的关系一览表

通过比较还发现，以防裂贴+应力吸收层组合结构的扩展寿命最大，土工布与防裂贴扩展寿命接近，且各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯沉差有关，如表4所列。

表4 不同防反措施的扩展寿命的大小一览表

从表4可以看到，各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯沉差有关，以防裂贴+应力吸收层组合结构的扩展寿命最大，土工布与防裂贴扩展寿命接近。不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差的衰减速率大小为：防裂贴+应力吸收层最大，依次为应力吸收层，玻纤格栅，土工布，直接加铺。

基于以上，建议重载公路水泥混凝土路面选择防反技术基本原则：尽量不采用土工布、防裂贴；在保证接缝传荷能力为优良前提下，以应力吸收层及其有关的组合结构作为首选方案；对于昼夜温差较大地区，可采用组合型防反措施；不受标高限制时，可以考虑设置补强层。

4 结论

（1）各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯沉差有关。

（2）理论对比表明，以防裂贴+应力吸收层组合结构的扩展寿命最大，土工布与防裂贴扩展寿命接近。

（3）不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差的衰减速率大小依次为：防裂贴+应力吸收层，应力吸收层，玻纤格栅，土工布，直接加铺。

（4）建议重载公路水泥混凝土路面尽量不采用土工布、防裂贴；在保证接缝传荷能力为优良前提下，以应力吸收层及其有关的组合结构作为首选方案；对于昼夜温差较大地区，可采用组合型防反措施；不受标高限制时，可以考虑设置补强层。

[1]周德云，姚祖康.旧水泥混凝土路面上沥青加铺层结构的三维有限元分析[J].中国公路学报，1990，（3）：18-26.

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