沥青路面典型结构Top-Down裂缝尖端应力强度因子影响因素分析

李绍辉　郭忠印　杨永顺

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室　上海　201804；　2.山东省交通厅公路局　济南　250002)

沥青路面典型结构Top-Down裂缝尖端应力强度因子影响因素分析

李绍辉1郭忠印1杨永顺2

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804；2.山东省交通厅公路局济南250002)

摘要借助ABAQUS有限元平台，分析水泥稳定碎石基层沥青路面与粒料基层沥青路面，Top-Down裂缝尖端应力强度因子KII随路面结构参数、轴载及裂缝深度变化规律。结果表明，增加沥青层厚度与模量、基层厚度与模量、土基模量对沥青路面结构抑制Top-Down裂缝有益，而超载将对路面Top-Down裂缝产生严重不利影响；水泥稳定碎石基层沥青路面抗Top-Down裂缝能力大于粒料基层沥青路面。 是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献重要内容的短文。其基本要素包括研究目的、方法、结果和结论。具体地讲就是研究工作的主要对象和范围，采用的手段和方法，得出的结果和重要的结论。篇幅以150字左右为宜。

关键词道路工程沥青路面Top-Down裂缝有限元法

Top-Down裂缝已成为我国高速公路沥青路面主要病害形式[1]，其在雨水与车辆的综合作用下在裂缝边缘处形成松散剥落等病害[2]。同时有资料表明国外粒料基层沥青路面裂缝也是其主要病害形式[3]。

我国道路工作者对该问题进行了相应研究：李峰借助有限元法，研究纵向开裂Top-Down裂缝损坏机理，结果表明剪应力是造成Top-Down开裂主要原因[4]；长安大学徐欧明等[5]用断裂力学与有限元法研究沥青路面内部裂缝发展规律，发现拉应力是造成微裂缝扩展主要原因。国外学

者也对该问题有相应研究：Freita借助有限元模型发现车辆载荷作用下轮胎边缘处产生拉应力导致路面产生微裂缝，以及由于外界环境温度降低产生拉应力导致微裂缝进一步发展是造成Top-Down裂缝主要原因[6]；其他国外学者通过研究认为，Top-Down一方面由于轮胎-路面接触引起的拉应力以及由于施工、温度变异性以及沥青混合料的老化导致的沥青混合料模量梯度分布，另一方面沥青材料老化降低了沥青混合料抗拉强度及拉伸应变[7]。

本文对重交沥青路面建立ABAQUS有限元模型，采用断裂力学方法分析沥青路面不同裂缝深度II型剪切应力强度因子，得到典型结构Top-Down开裂断裂力学指标及变化规律，为深入认识这一破坏形式及科学地进行路面结构设计提供依据。

1有限元模型建立

1.1　沥青路面结构形式及参数

建模选用我国高速公路与美国重交沥青路面结构，路面结构层厚度、材料模量及泊松比见表1。沥青参数参考AASHTO路面设计规律取值，取为沥青混合料10 Hz动态弹性模量。

表1　沥青路面典型结构形式

注：ATB为沥青处置碎石；CTB为水泥稳定碎石；UGM为粒料材料。

1.2　有限元模型

沥青路面有限元模型见图1，路面横向取为5 m，深度方向取为5 m，单元类型为CPE8R，模型边界条件假设横向边界无向内位移，底部无向下位移，层间状况完全连续。

a)沥青路面有限元模型b)裂缝尖端网格分布

图1沥青路面Top-Down开裂有限元模型

1.3　载荷加载模型

假定轮胎接地应力矩形均匀分布，接地宽度18.8 cm，2轮中心距31.8 cm，轮胎接地长度19.0 cm，见图2。

图2　轮载作用位置

以正弦动力载荷形式加载，加载车辆车速为80 km/h，见图3。

图3　载荷幅值曲线

2结果分析

2.1　沥青层厚度与模量对沥青路面Top-Down裂缝影响分析

沥青层厚度与模量对Top-Down裂缝尖端应力强度因子KII变化规律见图4、图5。

图4　应力强度因子KII与沥青面层厚度

图5　应力强度因子KII与沥青面层模量

2.2　基层厚度与模量对沥青路面Top-Down裂缝影响分析

基层厚度与模量对Top-Down裂缝尖端应力强度因子KII的影响见图6、图7。

图6　应力强度因子KII与基层厚度

图7　应力强度因子KII与基层模量

2.3　土基模量对沥青路面Top-Down裂缝影响分析

土基模量对半刚基层沥青路面与粒料基层沥青路面Top-Down裂缝尖端应力强度因子KII的影响见图8。

图8　应力强度因子KII与土基模量

2.4　轴重对沥青路面Top-Down裂缝影响分析

车辆轴载大小对路面Top-Down裂缝应力尖端应力强度因子的影响见图9。

图9　应力强度因子KII与土基模量

3结论

(1) 随沥青层厚度与模量、基层厚度与模量及土基模量增加，水泥稳定碎石基层沥青路面与粒料基层沥青路面结构Top-Down裂缝尖端应力强度因子KII减小；随轴重增加，Top-Down裂缝尖端应力强度因子KII明显增加。

(2) 相同沥青面层厚度与模量条件下，粒料基层沥青路面结构Top-Down裂缝尖端应力强度因子大于水泥稳定碎石基层沥青路面结构Top-Down裂缝尖端应力强度因子。

(3) 水泥稳定碎石基层沥青路面，沥青层厚度为18 cm时，Top-Down裂缝尖端应力强度因子在8 cm深度左右出现峰值；粒料基层沥青路面，沥青层厚度为30 cm时，Top-Down裂缝尖端应力强度因子在18 cm深度左右出现峰值。

参考文献

[1]张永平,陆永林.基于弹性理论的沥青路面Top-Down开裂机理研究[J]. 公路交通科技, 2014,31(4): 16-21.

[2]MIAO Y, He T G, YANG Q, et al.Multi-domain hybrid boundary node method for evaluated top-down in asphalt concrete Pavements[J].Engineering Analysis with Boundary Elements,2010,34(9):755-760.

[3]RODUE R,BIRGISSON B, DRAKOS C, et al. Development and field evaluation of energy-based criteria for top-down cracking performance of hot mix asphalt[J].Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists,2004,73:229-260.

[4]李峰, 孙立军.沥青路面Top-Down开裂成因的有限元分析[J].公路交通科技,2006,23(6):1-4.

[5]徐鸥明,郝培文.厚沥青路面Top-Down裂缝分析及对路面设计的启示[J].中外公路,2006,26(5):133-137.

[6]DE F E F, PEREIRA P, PICADO S L,et al.Effect of construction quality, temperature, and rutting on initiation of top-down cracking[J].TRR,2005,(1):174-182.

[7]SVASDISANT T, SCHOESCH M., BALADI G Y,et al. Mechanistic analysis of top-down cracking in asphalt pavement[J].TRR,2002,(15):126-136.

论文摘要撰写要求

具体包括以下方面：

① 本文的研究目的或要解决的问题; ② 解决问题的方法及过程; ③ 主要结果及结论; ④ 本文的创新、独到之处。

英文摘要中宜用过去时态叙述作者所做的工作；用现在时态叙述结论；能用名词做定语的就不要用动名词做定语，能用形容词做定语的就不要用名词做定语。尽可能用主动语态代替被动语态。

《交通科技》杂志社

Study on Top-Down Crack Tip Stress Intensity Factor in Typical Asphalt Pavement

LiShaohui1,GuoZhongyin1,YangYongshun2

(1.KeyLaboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University, Shanghai 201804, China;

2.Highway Bureau of Transportation office, Shandong Province, Jinan 250002, China)

Abstract：Based on finite element program ABAQUS, the Top-Down crack tip stress intensity factor KII was analyzed with different pavement structure parameters, axle loading and crack depth when the pavements were the asphalt pavement with cement treated granular base and the asphalt pavement with granular base. It was found that, with the increase of asphalt layer thickness and modulus, the base thickness and its modulus and the subgrade modulus, the Top-Down crack tip stress intensity factor decreased. Overload of the vehicle axles made negative effects on Top-Down crack. Through comparison, it was found that, the asphalt pavement with cement treated granular base has more anti-crack ability than the asphalt pavement with granular material base.

Key words:road engineering; asphalt pavement; top-down crack; finite element method

收稿日期：2015-01-13

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.026