半刚性基层裂缝对沥青路面使用性能的影响

罗惠文

(广东省交通运输建设工程质量检测中心 广州 510420)

0 引 言

半刚性基层沥青路面改扩建、大修、二次加铺等工程常涉及旧路面性能评估的问题，原半刚性基层内部的裂缝对加铺后的路面路用性能影响一直是关注的重点，会直接影响旧路处治方案的决策．

针对此类问题，栾利强[1]基于断裂力学理论和室内试验，研究了半刚性基层沥青路面裂缝扩展行为，通过考虑模量、厚度、层间粘结系数等因素的影响，回归得到了疲劳寿命预估方程．李萍等[2]基于黏弹性断裂力学理论和权函数法，分析了结构层厚度及荷载位置对基层反射裂缝的影响，得到了移动荷载作用下的不同裂缝扩展类型．宋健民等[3]分析了采用加铺土工合成材料、增加柔性基层和应力吸收层三种措施对半刚性基层沥青路面反射裂缝的防治效果，结果表明：通过增设层间处治结构层，可以提高沥青路面的抗裂性能．高嫄嫄等[4]基于解析的方法，分析了影响基层裂缝反射的主要因素，研究结果表明：剪切破坏是裂缝扩展的主要形式，半刚性基层的弹性模量是影响裂缝反射的主要因素．张晶等[5]通过监测基层预锯缝对应位置处路面结构层的应变、变形、温度和测量路面横缝密度对防裂基布的防裂效果进行了研究和评价．沈庆等[6-7]基于损伤力学模拟分析了半刚性基层沥青路面的裂缝扩展路径和路面破坏行为，表明粗集料的形状及空隙率会对影响裂缝扩展的路径．李月光等[8]对荷载型反射裂缝进行了有限元模拟计算,分析了不同罩面层厚度和夹层模量对沥青加罩层力学响应的变化规律．金光来等[9]考虑了环境和材料等因素的影响,分析了横向裂缝密度随路龄的演变规律,建立演变模型进行了预测分析，表明横向裂缝的宏观演变规律呈现出初步发展、稳步发展、快速发展的三阶段特征．

综上所述，研究成果主要集中于裂缝扩展、扩展寿命预估及裂缝处治方面，偏向路面开裂后的行为研究及处治，关于基层裂缝的形式，也局限在分析单条横缝或纵缝对路面使用性能的影响，未考虑裂缝的组合形式和裂缝的宽度等对路面使用性能的影响．文中通过对比分析不同裂缝形式、不同裂缝宽度下沥青路面的力学行为，开展疲劳寿命对比分析，将研究重点放在半刚性基层存在的裂缝对还未开裂沥青路面路用性能的影响．

1 有限元模型

1.1 计算模型

建立三维有限元模型，约定X、Y、Z分别为行车方向、横断面方向、深度方向．模型尺寸为X×Y=6 m×6 m，土基Z方向尺寸为6 m,其余结构层Z方向尺寸依据路面各层实际厚度而定．计算采用SOLID45等参八节点单元．

路面结构X方向采用对称边界条件，即U1=UR2=UR3=0，Y方向采用对称边界条件，即U2=UR1=UR3=0．对Z方向土基底部约束所有自由度，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0．

文中研究对象为半刚性基层沥青路面改扩建、大修、二次加铺等工程，考虑路面通车时间较长，各结构层之间层间接触条件不再是完全连续，设置层间接触系数为0.8．

采用双矩形荷载接地形式，建立的三维有限元模型,见图1．

1.2 结构参数

依托广东省某高速公路改扩建工程实际路面结构，路面结构形式及材料参数设置见表1．

表1 路面结构形式及材料参数

2 计算方案

2.1 模拟方案

半刚性基层四种不同裂缝形式的有限元对比模拟分析，见表2．四个方案中，方案二、方案三、方案四均分别对比研究了裂缝宽度为1，5，10 mm的三种工况见图2．基层无裂缝的工况简称W0，仅横缝的工况简称Hi；基层单条横纵缝交叉的工况简称HZi；多条横纵缝交叉的工况简称HZHZi．其中，i为裂缝宽度，基层存在5 mm横纵缝的工况简称为HZ5．

表2 有限元模拟方案

图2 不同基层裂缝形式示意图及荷载加载位置

2.2 加载位置

文献[4]认为荷载对称面与裂缝对称面共面(见图3)的位置为荷载作用最不利位置．因此，文中以该位置作为最不利荷载作用位置，图2中双矩形阴影加载面．

图3 荷载作用位置

3 计算结果分析

为简洁起见，以下各表中各层底最大纵向、横向应力分别表示为S22、S11，各层底最大纵向、横向应变分别表示为E22、E11．

各力学响应指标提取路径示意图见图4．数据提取路径为双圆荷载沿X方向对称轴线，方向为Y方向，范围为荷载作用前后1.5 m范围内．但对于基层而言，因路径恰好位于裂缝区域．因此，先通过后处理查看最不利点位位置，后选择该点位所在Y方向的直线为数据提取路径．

图4 数据提取路径

3.1 弯沉对比分析

提取十种裂缝形式的路表弯沉值，见图5．

图5 十种裂缝形式下的路表弯沉分布

由图5可知:弯沉基本沿荷载中心线呈对称分布．在HZHZ工况下，因为多一条横向裂缝，基层被再次分割，被分割板块上方的路表弯沉下降幅度很大．

提取图中十种裂缝形式的路表最大弯沉值，并计算相对无裂缝工况W0的增加幅度，分析可知：①基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ变化过程中，路表最大弯沉呈增加趋势．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的弯沉分别较之增加了18%、30%、34%．基层出现病害对路面结构的承载力有较大影响．③对Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范围内，在指定裂缝形式下，裂缝宽度i对弯沉几乎无影响．

3.2 沥青层底弯拉应力分析

提取十种裂缝形式下的沥青层底弯拉应力值，见图6．

图6 十种裂缝形式的层底弯拉应力

由图6可知:沥青层底弯拉应力基本沿荷载中心线呈对称分布．提取图中十种裂缝形式的沥青层底最大弯拉应力值，并计算相对无裂缝工况W0的增加幅度，分析可知：① 基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ的过程中，沥青层底横向和纵向应力均呈增加趋势．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分别较之增加了70%、100%、108%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分别较之增加了63%、76%、90%．④S11大于S22；对Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范围内，在指定裂缝形式下，裂缝宽度i对沥青层底最大弯拉应力几乎无影响．

3.3 沥青层底弯拉应变分析

提取十种裂缝形式下的沥青层底弯拉应变值，见图7．

图7 十种裂缝形式的层底弯拉变

由图7可知：沥青层底弯拉应变基本沿荷载中心线呈对称分布．提取图中十种裂缝形式的沥青层底最大弯拉应变值，并计算相对无裂缝工况W0的增加幅度，分析可知：①基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ的过程中，沥青层底横向和纵向应变均呈增加趋势．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分别较之增加了25%、30%、34%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分别较之增加了10%、23%、27%．④E11大于E22，对Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范围内，在指定裂缝形式下，裂缝宽度i对沥青层底最大弯拉应变几乎无影响．

3.4 基层底弯拉应力分析

提取十种裂缝形式下的基层底弯拉应力值，见图8．

图8 十种裂缝形式的基层底弯拉应力

由图8可知:曲线大体呈对称分布．在无裂缝和仅有横缝时，曲线只有一个波峰；在HZ和HZHZ时，曲线有两个波峰，原因也是由纵缝破坏基层的连续性所致．

提取图中十种裂缝形式的基层底最大弯拉应力值，并计算相对无裂缝工况W0的增加幅度，分析可知：①基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ的过程中，基层底横向和纵向应力大体呈下降趋势．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分别较之减少了78%、79%、77%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分别较之减少了-1%、28%、27%．相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分别较之减少了10%、71%、68%．④无裂缝时，S11大于S22；有裂缝时，S22大于S11．基层裂缝的存在，改善了基层的受力状态．

3.5 基层底弯拉应变分析

提取十种裂缝形式的基层底最大弯拉应变值，并计算相对无裂缝工况W0的增加幅度，分析可知： ①基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ的变化过程中，除H→HZ时，横向弯拉应变增加，其余均减小．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分别较之减少了65%、56%、50%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分别较之减少了-13%、53%、46%．④无裂缝时，E11大于E22；有裂缝时，E22大于E11．基层裂缝的存在，改善了基层的变形状态．

3.6 底基层底弯拉应力及应变分析

提取十种裂缝形式的底基层底弯拉应力值，见图9．

由图9可知:十种裂缝形式下的弯拉应力大体均呈对称分布．提取十种裂缝形式的底基层底最大弯拉应力值，分析可知：①基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ的过程中，底基层底底横向和纵向应力均呈增加趋势．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分别较之增加了114%、128%、137%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分别较之增加了38%、127%、137%．④S11大于S22；对Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范围内，在指定裂缝形式下，裂缝宽度i对底基层底最大弯拉应力几乎无影响．

图9 十种裂缝形式的基层底弯拉应力

提取十种裂缝形式的底基层底最大弯拉应变值，分析可知：①基层裂缝的形式由H→HZ→HZHZ的过程中，底基层底底横向和纵向应变均呈增加趋势．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分别较之增加了135%、130%、138%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分别较之增加了14%、130%、140%．④E11大于E22；对Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范围内，在指定裂缝形式下，裂缝宽度i对底基层底最大弯拉应变几乎无影响．

4 疲劳寿命影响分析

4.1 按照2006版设计规范计算

1) 按照弯沉反算 参照2006版《公路沥青路面设计规范式》式(8.0.5)[10]，疲劳寿命为

(1)

式中：Ne为疲劳寿命；ld为弯沉值．通过路表弯沉值反算得到的疲劳寿命见表3．

表3 通过弯沉反算的疲劳寿命

2) 按照层底拉应力反算 参照2006版《公路沥青路面设计规范》式(8.0.6-1)、(8.0.6-2)及(8.0.6-3)，将式(1)转化为

(1)

式中:σR为路面结构材料层底最大拉应力;σS为极限劈裂强度．沥青层、半刚性底基层材料劈裂强度σs取0.6,0.4 MPa．沥青层底、底基层底最大拉应力σR取值见表5．通过沥青层底及底基层底弯拉应力反算的疲劳寿命计算结果见表4．需要说明的是，因为基层已设置了裂缝，本节不再考虑基层拉应力造成的疲劳开裂．

表4 通过层底弯拉应力反算的疲劳寿命

4.2 按照2017版设计规范计算

1) 根据沥青混合料层永久变形量验算 参照文献[11],对比十种不同荷载形式的永久变形量，永久变形量与各分层厚度、等效温度等因素有关．考虑本节仅为了对比裂缝对永久变形量的影响，而十种裂缝形式下，仅各分层顶面的竖向压应力有变化，计算永久变形量的其他指标均不变，故固定公式中其他参数不变，仅分析竖向压应力对永久变形量的影响．因此，比较的结果是相对值．

(3)

kRi=(d1+d2·zi)·0.973 1zi

(4)

(5)

(6)

(7)

按照规范的分层厚度要求，通过提取各分层顶面的最大竖向压应力，代入式(3)中，取无裂缝时的永久变形量为标准值．结果见表5．

表5 十种裂缝形式下的永久变形量

由表5可知:基层有裂缝，对沥青层永久变形量基本无影响．

2) 根据无机结合料稳定层疲劳开裂验算 按照规范[11]对参数取值，根据底基层底弯拉应力计算的疲劳寿命见表6．

表6 根据弯拉应力反算的疲劳寿命

由表6可知:基层存在裂缝，对由底基层底弯拉应力计算的疲劳寿命有显著影响．

3) 根据沥青混合料层疲劳开裂验算 按照规范[11]对参数取值，根据沥青层底弯拉应变计算的疲劳寿命见表7．

表7 根据弯拉应变反算的疲劳寿命

由表7可知:基层存在裂缝，对由沥青层底弯拉应变计算的疲劳寿命有显著影响．

5 结 论

1) 半刚性基层出现裂缝，对沥青路面的影响主要表现为：路表弯沉、沥青层底弯拉应力应变、底基层层底弯拉应力应变增加；基层受力模式随裂缝形式变化，总体而言，基层受力有所改善．

2) 半刚性基层出现裂缝，造成疲劳寿命的大幅度下降，下降幅度随基层裂缝的发展而增加；而裂缝对沥青层永久变形量基本无影响．在确定的裂缝形式下，裂缝的宽度对受力模式及疲劳寿命基本无影响．