大粒径沥青碎石基层抑制沥青路面反射裂缝的性能

沈金磊， 王建国

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

我国已建的高速公路中，大部分都是半刚性基层沥青混凝土路面，它具有强度高、工程造价低、整体性好等优点。半刚性材料也易于产生干缩裂缝和低温收缩裂缝。在交通荷载特别是超载的重复作用下，基层裂缝很容易扩展到沥青面层。半刚性基层沥青路面反射裂缝已成为沥青路面的主要破坏形式之一。

针对沥青路面基层出现裂缝后引起的反射裂缝问题及如何进行维修处理，国内外学者进行了大量的研究。根据线弹性断裂力学［1］理论，应力强度因子是判断裂缝扩展的重要指标。应力强度因子越大，裂缝就越容易扩展，参数K1、K2分别为张开型裂缝和剪切型裂缝的应力强度因子。文献［2－6］基于有限元和断裂力学理论对道路结构进行解析或数值分析；文献［7］应用二维断裂力学有限元分析程序FRANC2D对设置大粒径沥青碎石缓解层的沥青路面反射裂缝扩展路径进行数值模拟；文献［8］用三维有限元模拟分析了反射裂缝对于沥青加铺层的影响；文献［9］通过实验研究了减少沥青加铺层对放射裂缝的影响；文献［10］研究了级配碎石过渡层对沥青路面面层反射裂缝的抑制机理。

本文采用有限元软件ABAQUS［11］建立路面三维有限元模型，利用20结点的等参元模型对开裂后路面模拟数值进行计算，研究基层开裂时用大粒径柔性沥青碎石基层替换半刚性基层后的主应力值应力强度因子的变化，并针对基层开裂后导致底基层材料的弱化进行模型优化，从而得出有用的结论，为路面维修提供指导。

1 计算模型

对沥青路面基层存在的纵向裂缝进行力学分析时采用弹性层状体系理论［12］，即假设以下条件：① 路面结构材料是连续均匀、完全线弹性的，应力、应变符合广义胡克定律；② 路面结构各层接触之间完全连续；③ 路面结构各层水平方向和土基在垂直方向无限远处应力、应变、位移均为0，路面结构各层长度方向为无限远，土基在长度和深度上为无限大；④不计各层材料自重。各层材料的计算参数见表1所列。

表1 沥青路面结构及参数

有限元数值模拟过程中，取路面结构在水平方向为6m，深度方向为5m。约束情况：考虑路面底部土基位移为0，为固定约束。路面两侧采用对称约束，横向位移为0。在路面纵向，即行车方向，考虑路面在行车方向上可自由延伸，因此面层表面作为自由面，不进行任何约束。路面采用20结点等参三维实体单元。对于裂缝尖端应力场的奇异性，本文在裂缝尖端采用奇异单元模拟［13］。奇异单元实际上是一种畸形等参单元，如图1所示，在裂缝尖端处将中间结点向裂缝尖端靠拢，距裂缝尖端1／4边长处。奇异单元满足裂缝尖端的r－1／2奇异性，可以较好地反映裂缝尖端的应力场。

图1 常规单元和奇异单元

作用于路面的车辆标准轴载采用路面设计规范BZZ－100。轮胎接地压强为0.7MPa，本文考虑轮胎的胎纹间隙，实际受力面积比设计面积小，因此计算时应力值取0.9MPa，单轮传压面当量圆直径为21.30cm，轮胎接触面积由1个矩形和2个半圆形组成。为方便计算，接触面积可进一步简化为矩形 0.871 2L×0.6L，其中L＝260mm，即作用面积为0.228m×0.157m，双轮中心距为32cm。偏载荷载工况简图如图2、图3所示。

图2 车辆偏载分布图

图3 下基层开裂路面结构图

2 计算结果分析

2.1 标准轴载作用

用ABAQUS计算标准轴载偏载作用下，下基层开裂，裂缝深度为18cm，如图3所示。水泥稳定碎石上基层和换用大粒径沥青碎石上基层的应力分布如图4所示。由计算结果可知，最大主应力和最大剪应力都在裂缝处急剧增大，应力集中现象很明显，原有半刚性上基层底面的最大主拉应力和最大剪应力分别达到0.46、0.47MPa，已接近水稳材料的劈裂强度。在路面维修中，当上基层采用大粒径沥青碎石时，上基层的最大主拉应力和最大剪应力均有明显的下降，降幅均达到了60%左右。由此可见，在标准轴载作用下，采用大粒径沥青碎石上基层抗裂性能良好，可以有效地降低应力集中带来的不利影响，改善上基层的受力状况，从而保证面层良好的工作性能。

图4 车辆偏载作用下的第1主应力和最大剪应力

2.2 超载作用

在实际高速路况中，经常会有超载现象，超载重载已成为破坏路面结构的重要原因。本文考虑超载为标准轴载的30%，作用方式为不利偏载布置。计算得到应力值如图5所示，由计算结果可知，超载时，路面最大主应力和剪应力达到了0.62MPa和0.64MPa，增幅达到40%，而用大粒径沥青碎石柔性上基层替换水泥稳定碎石上基层后，在裂缝处的最大主拉应力降低到0.2MPa，最大剪应力降低到0.23MPa，明显降低。因此在超载情况下，使用大粒径沥青碎石替代水泥稳定碎石上基层，可有效缓解裂缝的进一步发展。

图5 超载下路面上基层底面的第1主力和最大剪应力

3 模型优化

沥青路面出现裂缝后，外界水和空气的渗入，会进入底基层，甚至路基，降低底基层或路基的强度，即材料模量值减小。本研究考虑基层出现裂缝后底基层模量也在裂缝附近削弱，用有限元计算路面结构受力的变化。根据距离裂缝的远近，底基层模量采用逐渐变化值，具体模量变化见表2所列。

表2 优化模型底基层与裂缝中心不同距离模量

模型弱化前后上基层第1主应力和最大剪应力如图6所示。

由图6可知，水泥稳定碎石上基层底面的最大应力均有所增大，说明底基层弱化后，对路面结构受力是不利的。

模型优化后，即考虑底基层模量的削弱，用ABAQUS计算换用大粒径沥青碎石后上基层底面的应力值变化。

计算结果如图7所示。

图6 模型弱化前后上基层第1主应力和底面最大剪应力

图7 上基层底面的第1主应力和最大剪应力图

对比可知，当上基层采用大粒径沥青碎石后，最大主拉应力由0.57MPa降低到0.20MPa，下降了60%；最大剪应力由0.50MPa降低到0.25MPa，下降了45%。这说明底基层弱化后，维修路面时上基层使用大粒径沥青碎石材料可以有效地降低应力，削弱底基层带来的不利影响。

4 裂缝应力强度因子分析

在ABAQUS中，程序可采用J积分进行应力强度因子K1和K2的计算［11］。本文使用ABAQUS软件，分别得到路面结构基层开裂时，采用柔性上基层及原有半刚性上基层底面处的裂缝应力强度因子值，见表3所列。标准轴载偏载作用下，剪切型应力强度因子K2比张开型应力强度因子K1大，说明此时剪应力对裂缝影响比拉应力大，路面裂缝会呈剪切型向面层反射，当采用大粒径沥青碎石替换水泥稳定碎石后，应力强度因子有明显的降低，这与应力值反映情况相符。

表3 偏载作用下裂缝应力强度因子分析

通过应力强度因子值可进一步由Paris公式预估裂缝的扩展寿命，公式如下：

其中，c为裂缝长度；N为荷载作用次数；K为应力强度因子增幅，为K1和K2的函数，具体可表示为；A、n为材料常数，本文分别取值3.5×10－4和3；c0为初始裂纹长度，本文取0.5cm；临界裂纹长度为整个下基层厚度。

通过计算，水泥稳定碎石上基层结构的裂缝扩展寿命为9.8×107次，而采用大粒径沥青碎石上基层结构的裂缝扩展寿命为4.1×108次，同样说明了维修路面采用柔性材料上基层可有效提高路面的使用寿命。

5 结 论

（1）在路面基层开裂时，裂缝处会产生应力集中，为最不利受力位置，且应力值较大，接近材料的劈裂强度，容易进一步产生破坏。

（2）路面维修中，采用大粒径沥青碎石上基层代替原水泥稳定碎石上基层可有效降低裂缝尖端应力值，主拉应力和最大剪应力降幅达到60%左右，效果明显。

（3）考虑实际路况中存在的超载和重载作用，轴载增大时将使基层开裂的路面结构受力更不利，用大粒径柔性材料进行上基层替换后，可以有效降低应力值。

（4）对原有模型进行优化，考虑基层开裂后由于水分及空气的进入导致底基层的削弱，发现底基层的削弱会导致结构应力的增加，用柔性材料可缓解这一不利影响。

（5）通过计算开裂基层裂缝的应力强度因子及以此预估的裂缝扩展寿命，也可以证明大粒径沥青碎石柔性材料具有良好的抗裂效果。

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