路面反射裂缝影响规律及处治措施效果评价

焦 一，冯 晓，张淑雅，裴鑫雨，杨秀永

(1. 重庆交通大学 土木学院 重庆市 400000； 2.秀山公路局 秀山县 409900)

优良的路面技术状况是营运高速公路维持较高服务水平的重要基础。在营运高速公路沥青路面的大中修养护中，路面反射裂缝由于其裂缝开裂层位深、裂缝宽度大、裂缝间距小等特点，一直以来都是导致路面技术状况下降的主要病害类型。

以典型营运高速公路的路面结构为研究对象，从路面结构力学角度分析反射裂缝的影响规律，通过疲劳试验对比不同抗裂材料的抗裂效果，并通过实际跟踪观测汇总分析大流量重载交通条件下不同养护维修方案的保存寿命。

1 反射裂缝成因分析

反射裂缝形成的原因主要是半刚性基层开裂，由于此类材料会在外界温度以及湿度发生较大变化时出现收缩甚至造成开裂的现象，因此，水会沿着缝隙流入到路面内部，造成半刚性基层顶面发生水软化层现象，这降低了面层和基层的联结，同时在动水压力下容易出现基层唧泥现象，由此造成基层无法良好地传递行车荷载，进而导致沥青面层发生较为明显的开裂[1]。

2 反射裂缝影响因素分析

为了准确分析沥青面层反射裂缝的影响规律，运用ABAQUS建立符合路面实际工况的三维有限元模型，对行车荷载作用下基层开裂处沥青结构层的应力状态进行分析。

2.1 计算模型与计算参数

(1)模型参数

参照双向四车道高速公路路面结构形式设置模型参数见表1。模型结构尺寸方面，为了保证路面的受力完整性，在模型中设置基础，基础为半无限大空间地基的特征，采用扩大基础的形式。其中，选取面层厚度和基层裂缝宽度为可变参数。

表1 模型参数

(2)边界条件

在ABAQUS有限元模型中，应力边界的差异对求出的模型中各个单元的应力和位移的影响很大。所以为了保证求解过程的准确性和求解精度，本次ABAQUS有限元计算模型采用水平方向的边界约束。

除了设定计算模型的边界条件之外，考虑到路面结构层状的特点，还需要设定层间基础条件。基于层间接触完全连续的基本假设，在ABAQUS有限元中，可以选用tie、rough、层间剖分三种层间接触条件都能实现。但三种条件存在一定的区别，rough层间接触条件要占用更多 CPU 时间。在分层体系结构的仿真中，层间完全连续的层间接触可以直接连接到一个部分与领带的建立。但对于复杂结构，为了方便处理，采用绑扎连接将不同部分之间连接在一起。

(3)加载方式和位置

用ABAQUS有限元计算模型的荷载选取标准交通轴载 BZZ-100，同时取0.7MPa的轮胎内压。按照既定的荷载应力等效原则，将标准交通轴载等效换算成相对简单的方形载荷。

通过对比分析不同行车荷载对应的应力数值，我们能够得知：若荷载为处于特定的横缝、纵缝相交板区域的偏荷载时，为最不利的荷载应力位置，将对沥青面层最不利的荷载应力位置作为ABAQUS有限元计算模型的荷载加载位置[2]。

(4)网格划分

应该适度地加密模型中重要部位的网格，如计算模型中应力较大的位置、荷载作用的位置，而对于计算模型中的其他部位，则可以扩大其它位置的网格。

2.2 面层结构应力状态分析

通过ABAQUS有限元建立计算模型，对不同厚度下结构层的荷载应力进行数值模拟，偏载作用下最不利位置A的应力分布状态如图1所示。

图1 偏载作用下最不利位置处应力云图

为了从路面结构力学角度研究沥青厚度和基层裂缝宽度对反射裂缝的影响规律，在保证计算模量其它参数为定值的基础上，将沥青面层厚度进行适当调整，让其从原先的18cm增长到22cm，以及基层裂缝宽度0.5cm增加至1cm，分别得出偏载作用下最不利位置A的最大剪应力，见图2。

图2 A点最大剪应力数值模拟结果

通过模拟信息我们能够得知：若将沥青层厚度设定为18cm，那么与之对应的裂缝宽度将为四个目标值，其依次排序为1cm、0.7cm、0.4cm以及0.1cm时，相应的最大剪应力也将分别为0.112MPa、0.096MPa、0.076MPa以及0.038MPa，不难看出，若裂缝宽度发生持续变窄，应力集中现象明显弱化，相对于1cm的裂缝宽度，下降幅度分别为15.3%、32.2%、66.1%。因此，在高速公路养护维修中，缝宽较窄的早期温缩裂缝，采取罩面加铺或铣刨重铺的措施，可以较长时间内维持路面技术状况；缝宽较宽的反射裂缝，应力集中现象明显，处治后会在短时间内出现二次开裂的情况，应对反射裂缝为典型病害的路段针对性地进行抗裂设计，抑制反射裂缝的发展速率。

当裂缝宽度为1cm时，沥青层所对应的厚度将为四个目标值，它们分别为18cm、20cm、22cm以及24cm，并且与之对应的最大剪应力也将各自表示为0.112MPa、0.103MPa、0.088MPa和0.064MPa，沥青结构层厚度的增加，可以有效弱化开裂处的应力集中现象，对于18cm的沥青厚度，下降幅度分别为9.1%、21.5%、42.9%。目前，营运公路通常采用18cm的沥青结构层，厚度相对较薄，对于反射裂缝为典型病害的路段，在养护维修类型决策时，应优先采用罩面加铺代替铣刨重铺，逐年增加沥青结构层厚度，恢复路面技术状况的同时，还可以达到抑制反射裂缝发展的作用。

综上所述，随着厚度的增加和裂缝宽度的减少，最不利位置的最大剪应力明显下降，应力集中现象明显减弱。

3 处治措施及效果评价

通过对反射裂缝影响规律的分析可以看出，对于反射裂缝为典型病害的路段的养护维修措施，特别是大流量重载交通的营运高速公路，为了延长处治后的使用寿命，保证全寿命养护周期内的经济合理，在养护维修措施中铺设抗裂材料是必要的。目前用于沥青路面的抗裂材料种类繁多，主要包括无纺土工布、全聚酯布等[3]。

从材料自身性能出发，结合与养护维修方案的适用性对比，对抗裂材料和措施的效果进行评价。

3.1 不同抗裂材料性能对比

采用MTS材料试验机对铺设抗裂材料的试件进行剪切疲劳加载试验，通过剪切疲劳加载次数表征无土工材料以及增设无纺土工布、全聚酯布、聚酯玻纤维布和抗裂贴的抗裂效果。

(1)试验方案

沥青面层反射裂缝出现后,通常将会出现2种发展形式：一种形式为张开型，另一种形式为剪切型，后者产生的几率较大[4]。因此针对试验加载应力选择上，选用剪切加载方式。

具体的结构模型为：面层材料将采用改性AC-13混合料，其对应的厚度为5 cm，沥青方面选择主要以SBS改性沥青为核心，油石比为4.9%，级配符合既定需求。基层为水泥稳定碎石，其对应的掺量为4.5%，厚度将设定在20cm。黏层油选取的是改性乳化沥青，洒布量设定为0.6～0.8 kg/m2区间。针对每组试验，我们将以标准形式开展3个平行试验，并取平均值来进行统计，随后对其展开科学的系统分析[5]。

(2)结果分析

采用MTS材料试验机对无土工材料以及铺设无纺土工布、全聚酯布、聚酯玻纤布和抗裂贴的试件分别进行循环加载，各组试件在循环荷载作用下所得到的既定加载次数信息由图3可知。

图3 MTS剪切疲劳试验加载次数结果

通过图3我们能够得知，由于循环剪切产生的作用，相比无土工材料，铺设无纺土工布、全聚酯布、聚酯玻纤布和抗裂贴，初裂疲劳加载次数以及终裂疲劳加载次数都实现了较大程度的提升，而具体来讲，前者加载次数分别提升了 86%、119%、133%、142%，后者加载次数分别提升了41%、76%、149%、164%，能够得知，当铺设了相应的抗裂材料之后，由于MTS剪切产生的既定作用，能够对裂缝位置的应力集中现象实现良好消除，从而再一次促进应力的重新分布，如此一来，将能够对反射裂缝发展起到良好的抑制作用。

对比抗裂成效，我们能够得知，抗裂贴消除裂缝处的应力集中，其成效最为显著，特别表现在终裂疲劳加载次数方面，其相对于铺设无纺土工布提升了87.3%、相对于全聚酯布提升了50.3%、相比于聚酯玻纤布提升了5.9%。但抗裂贴仅适用于单条裂缝的处治，无法应用于反射裂缝密集路段的整体性处治。

3.2 抗裂方案设计及评价

(1)处治的方案设计

基于抗裂性能的处治方案采用铣刨重铺并铺设聚酯玻纤布的方案，同时选取连片车道式铣刨重铺的处理方法，根据铣刨沥青结构层厚度和聚酯玻纤布铺设层位不同，详细方案有四种：

方案一：铣刨重铺两层原沥青面层，分层回铺4.5cmSBS改性AC-16C沥青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C沥青混合料，并压实缝边。

方案二：铣刨重铺两层原沥青面层，下承面满铺聚酯玻纤布，分层回铺4.5cmSBS改性AC-16C沥青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C沥青混合料，并压实缝边。

方案三：铣刨重铺两层原沥青面层，下承面和中上面层间均满铺聚酯玻纤布，分层回铺4.5cmSBS改性AC-16C沥青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C沥青混合料，并压实缝边。

方案四：铣刨重铺三层原沥青面层，下承面满铺聚酯玻纤布，分层回铺4.5cmSBS改性AC-16C沥青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C沥青混合料+8cmATB-25沥青混合料，并压实缝边。

(2)抗裂效果评价

为了真实评价四种方案的抗裂效果，对四种处治方案实施后的试验路段进行跟踪观测，由于观测时间有限，观测时间内未出现裂缝的观测点出现反射裂缝时间评定为60个月。

通过对实际处治后跟踪观测数据的结果，可以得出：采取方案一，处治后原深层裂缝短期内快速反射至沥青表层。

采用铺设聚酯玻纤布的处治方式(方案二)，能够在一定程度上对反射裂缝发展速率进行良好抑制，然而对于大流量重载交通荷载的路段，也只能维持2年左右。且波动较大，说明当原路面深层裂缝缝宽较大时，该方案延缓反射效果有限。

加深铣刨重铺厚度和铺设多双层聚酯玻纤布的处治方式(方案三和方案四)，可以明显抑制反射裂缝发展速率，基本可以使处治后的沥青面层在一个中修周期内不出现二次开裂。

在跟踪观测的结果中，虽然方案4的处治效果略优于方案三，但方案四的处治费用远高于方案三，因此，对于大流量重载交通条件下，采用方案三处治反射裂缝密集路段，恢复其路面技术状况，技术经济最合理。

4 结语

运用ABAQUS建立计算模型，分析路面结构层的应力状态，通过数值模拟结果说明随着厚度的增加和裂缝宽度的减少，最不利位置的最大剪应力明显下降，应力集中现象明显减弱。

基于MTS剪切疲劳加载次数来表征出各抗裂材料的抗裂效果，得出铺设聚酯玻纤布可以有效抑制反射裂缝的发展速率，相对于无土工材料的试件，其初裂疲劳加载次数和终裂疲劳加载次数提高133%和50.3%。

设计了四种铺设聚酯玻纤布的养护维修方案，通过对处治后效果的跟踪观测，得出对于大流量重载交通条件下，采用方案三处治反射裂缝密集路段，恢复其路面技术状况，技术经济最合理。