半剛性基層裂縫對瀝青路面使用性能的影響

羅惠文

(廣東省交通運(yùn)輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心 廣州 510420)

0 引 言

半剛性基層瀝青路面改擴(kuò)建、大修、二次加鋪等工程常涉及舊路面性能評估的問題，原半剛性基層內(nèi)部的裂縫對加鋪后的路面路用性能影響一直是關(guān)注的重點(diǎn)，會直接影響舊路處治方案的決策．

針對此類問題，欒利強(qiáng)[1]基于斷裂力學(xué)理論和室內(nèi)試驗(yàn)，研究了半剛性基層瀝青路面裂縫擴(kuò)展行為，通過考慮模量、厚度、層間粘結(jié)系數(shù)等因素的影響，回歸得到了疲勞壽命預(yù)估方程．李萍等[2]基于黏彈性斷裂力學(xué)理論和權(quán)函數(shù)法，分析了結(jié)構(gòu)層厚度及荷載位置對基層反射裂縫的影響，得到了移動荷載作用下的不同裂縫擴(kuò)展類型．宋健民等[3]分析了采用加鋪土工合成材料、增加柔性基層和應(yīng)力吸收層三種措施對半剛性基層瀝青路面反射裂縫的防治效果，結(jié)果表明：通過增設(shè)層間處治結(jié)構(gòu)層，可以提高瀝青路面的抗裂性能．高嫄嫄等[4]基于解析的方法，分析了影響基層裂縫反射的主要因素，研究結(jié)果表明：剪切破壞是裂縫擴(kuò)展的主要形式，半剛性基層的彈性模量是影響裂縫反射的主要因素．張晶等[5]通過監(jiān)測基層預(yù)鋸縫對應(yīng)位置處路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變、變形、溫度和測量路面橫縫密度對防裂基布的防裂效果進(jìn)行了研究和評價(jià)．沈慶等[6-7]基于損傷力學(xué)模擬分析了半剛性基層瀝青路面的裂縫擴(kuò)展路徑和路面破壞行為，表明粗集料的形狀及空隙率會對影響裂縫擴(kuò)展的路徑．李月光等[8]對荷載型反射裂縫進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算,分析了不同罩面層厚度和夾層模量對瀝青加罩層力學(xué)響應(yīng)的變化規(guī)律．金光來等[9]考慮了環(huán)境和材料等因素的影響,分析了橫向裂縫密度隨路齡的演變規(guī)律,建立演變模型進(jìn)行了預(yù)測分析，表明橫向裂縫的宏觀演變規(guī)律呈現(xiàn)出初步發(fā)展、穩(wěn)步發(fā)展、快速發(fā)展的三階段特征．

綜上所述，研究成果主要集中于裂縫擴(kuò)展、擴(kuò)展壽命預(yù)估及裂縫處治方面，偏向路面開裂后的行為研究及處治，關(guān)于基層裂縫的形式，也局限在分析單條橫縫或縱縫對路面使用性能的影響，未考慮裂縫的組合形式和裂縫的寬度等對路面使用性能的影響．文中通過對比分析不同裂縫形式、不同裂縫寬度下瀝青路面的力學(xué)行為，開展疲勞壽命對比分析，將研究重點(diǎn)放在半剛性基層存在的裂縫對還未開裂瀝青路面路用性能的影響．

1 有限元模型

1.1 計(jì)算模型

建立三維有限元模型，約定X、Y、Z分別為行車方向、橫斷面方向、深度方向．模型尺寸為X×Y=6 m×6 m，土基Z方向尺寸為6 m,其余結(jié)構(gòu)層Z方向尺寸依據(jù)路面各層實(shí)際厚度而定．計(jì)算采用SOLID45等參八節(jié)點(diǎn)單元．

路面結(jié)構(gòu)X方向采用對稱邊界條件，即U1=UR2=UR3=0，Y方向采用對稱邊界條件，即U2=UR1=UR3=0．對Z方向土基底部約束所有自由度，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0．

文中研究對象為半剛性基層瀝青路面改擴(kuò)建、大修、二次加鋪等工程，考慮路面通車時(shí)間較長，各結(jié)構(gòu)層之間層間接觸條件不再是完全連續(xù)，設(shè)置層間接觸系數(shù)為0.8．

采用雙矩形荷載接地形式，建立的三維有限元模型,見圖1．

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

依托廣東省某高速公路改擴(kuò)建工程實(shí)際路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)設(shè)置見表1．

表1 路面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)

2 計(jì)算方案

2.1 模擬方案

半剛性基層四種不同裂縫形式的有限元對比模擬分析，見表2．四個(gè)方案中，方案二、方案三、方案四均分別對比研究了裂縫寬度為1，5，10 mm的三種工況見圖2．基層無裂縫的工況簡稱W0，僅橫縫的工況簡稱Hi；基層單條橫縱縫交叉的工況簡稱HZi；多條橫縱縫交叉的工況簡稱HZHZi．其中，i為裂縫寬度，基層存在5 mm橫縱縫的工況簡稱為HZ5．

表2 有限元模擬方案

圖2 不同基層裂縫形式示意圖及荷載加載位置

2.2 加載位置

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為荷載對稱面與裂縫對稱面共面(見圖3)的位置為荷載作用最不利位置．因此，文中以該位置作為最不利荷載作用位置，圖2中雙矩形陰影加載面．

圖3 荷載作用位置

3 計(jì)算結(jié)果分析

為簡潔起見，以下各表中各層底最大縱向、橫向應(yīng)力分別表示為S22、S11，各層底最大縱向、橫向應(yīng)變分別表示為E22、E11．

各力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)提取路徑示意圖見圖4．?dāng)?shù)據(jù)提取路徑為雙圓荷載沿X方向?qū)ΨQ軸線，方向?yàn)閅方向，范圍為荷載作用前后1.5 m范圍內(nèi)．但對于基層而言，因路徑恰好位于裂縫區(qū)域．因此，先通過后處理查看最不利點(diǎn)位位置，后選擇該點(diǎn)位所在Y方向的直線為數(shù)據(jù)提取路徑．

圖4 數(shù)據(jù)提取路徑

3.1 彎沉對比分析

提取十種裂縫形式的路表彎沉值，見圖5．

圖5 十種裂縫形式下的路表彎沉分布

由圖5可知:彎沉基本沿荷載中心線呈對稱分布．在HZHZ工況下，因?yàn)槎嘁粭l橫向裂縫，基層被再次分割，被分割板塊上方的路表彎沉下降幅度很大．

提取圖中十種裂縫形式的路表最大彎沉值，并計(jì)算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ變化過程中，路表最大彎沉呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的彎沉分別較之增加了18%、30%、34%．基層出現(xiàn)病害對路面結(jié)構(gòu)的承載力有較大影響．③對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內(nèi)，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對彎沉幾乎無影響．

3.2 瀝青層底彎拉應(yīng)力分析

提取十種裂縫形式下的瀝青層底彎拉應(yīng)力值，見圖6．

圖6 十種裂縫形式的層底彎拉應(yīng)力

由圖6可知:瀝青層底彎拉應(yīng)力基本沿荷載中心線呈對稱分布．提取圖中十種裂縫形式的瀝青層底最大彎拉應(yīng)力值，并計(jì)算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：① 基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，瀝青層底橫向和縱向應(yīng)力均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分別較之增加了70%、100%、108%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之增加了63%、76%、90%．④S11大于S22；對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內(nèi)，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對瀝青層底最大彎拉應(yīng)力幾乎無影響．

3.3 瀝青層底彎拉應(yīng)變分析

提取十種裂縫形式下的瀝青層底彎拉應(yīng)變值，見圖7．

圖7 十種裂縫形式的層底彎拉變

由圖7可知：瀝青層底彎拉應(yīng)變基本沿荷載中心線呈對稱分布．提取圖中十種裂縫形式的瀝青層底最大彎拉應(yīng)變值，并計(jì)算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，瀝青層底橫向和縱向應(yīng)變均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分別較之增加了25%、30%、34%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分別較之增加了10%、23%、27%．④E11大于E22，對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內(nèi)，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對瀝青層底最大彎拉應(yīng)變幾乎無影響．

3.4 基層底彎拉應(yīng)力分析

提取十種裂縫形式下的基層底彎拉應(yīng)力值，見圖8．

圖8 十種裂縫形式的基層底彎拉應(yīng)力

由圖8可知:曲線大體呈對稱分布．在無裂縫和僅有橫縫時(shí)，曲線只有一個(gè)波峰；在HZ和HZHZ時(shí)，曲線有兩個(gè)波峰，原因也是由縱縫破壞基層的連續(xù)性所致．

提取圖中十種裂縫形式的基層底最大彎拉應(yīng)力值，并計(jì)算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，基層底橫向和縱向應(yīng)力大體呈下降趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分別較之減少了78%、79%、77%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之減少了-1%、28%、27%．相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之減少了10%、71%、68%．④無裂縫時(shí)，S11大于S22；有裂縫時(shí)，S22大于S11．基層裂縫的存在，改善了基層的受力狀態(tài)．

3.5 基層底彎拉應(yīng)變分析

提取十種裂縫形式的基層底最大彎拉應(yīng)變值，并計(jì)算相對無裂縫工況W0的增加幅度，分析可知： ①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的變化過程中，除H→HZ時(shí)，橫向彎拉應(yīng)變增加，其余均減?。谙啾扔赪0，H、HZ、HZHZ的E11分別較之減少了65%、56%、50%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分別較之減少了-13%、53%、46%．④無裂縫時(shí)，E11大于E22；有裂縫時(shí)，E22大于E11．基層裂縫的存在，改善了基層的變形狀態(tài)．

3.6 底基層底彎拉應(yīng)力及應(yīng)變分析

提取十種裂縫形式的底基層底彎拉應(yīng)力值，見圖9．

由圖9可知:十種裂縫形式下的彎拉應(yīng)力大體均呈對稱分布．提取十種裂縫形式的底基層底最大彎拉應(yīng)力值，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，底基層底底橫向和縱向應(yīng)力均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的S11分別較之增加了114%、128%、137%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的S22分別較之增加了38%、127%、137%．④S11大于S22；對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內(nèi)，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對底基層底最大彎拉應(yīng)力幾乎無影響．

圖9 十種裂縫形式的基層底彎拉應(yīng)力

提取十種裂縫形式的底基層底最大彎拉應(yīng)變值，分析可知：①基層裂縫的形式由H→HZ→HZHZ的過程中，底基層底底橫向和縱向應(yīng)變均呈增加趨勢．②相比于W0，H、HZ、HZHZ的E11分別較之增加了135%、130%、138%．③相比于W0，H、HZ、HZHZ的E22分別較之增加了14%、130%、140%．④E11大于E22；對Hi、HZi、HZHZi而言，在1～10 mm范圍內(nèi)，在指定裂縫形式下，裂縫寬度i對底基層底最大彎拉應(yīng)變幾乎無影響．

4 疲勞壽命影響分析

4.1 按照2006版設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算

1) 按照彎沉反算 參照2006版《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范式》式(8.0.5)[10]，疲勞壽命為

(1)

式中：Ne為疲勞壽命；ld為彎沉值．通過路表彎沉值反算得到的疲勞壽命見表3．

表3 通過彎沉反算的疲勞壽命

2) 按照層底拉應(yīng)力反算 參照2006版《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》式(8.0.6-1)、(8.0.6-2)及(8.0.6-3)，將式(1)轉(zhuǎn)化為

(1)

式中:σR為路面結(jié)構(gòu)材料層底最大拉應(yīng)力;σS為極限劈裂強(qiáng)度．瀝青層、半剛性底基層材料劈裂強(qiáng)度σs取0.6,0.4 MPa．瀝青層底、底基層底最大拉應(yīng)力σR取值見表5．通過瀝青層底及底基層底彎拉應(yīng)力反算的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見表4．需要說明的是，因?yàn)榛鶎右言O(shè)置了裂縫，本節(jié)不再考慮基層拉應(yīng)力造成的疲勞開裂．

表4 通過層底彎拉應(yīng)力反算的疲勞壽命

4.2 按照2017版設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算

1) 根據(jù)瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算 參照文獻(xiàn)[11],對比十種不同荷載形式的永久變形量，永久變形量與各分層厚度、等效溫度等因素有關(guān)．考慮本節(jié)僅為了對比裂縫對永久變形量的影響，而十種裂縫形式下，僅各分層頂面的豎向壓應(yīng)力有變化，計(jì)算永久變形量的其他指標(biāo)均不變，故固定公式中其他參數(shù)不變，僅分析豎向壓應(yīng)力對永久變形量的影響．因此，比較的結(jié)果是相對值．

(3)

kRi=(d1+d2·zi)·0.973 1zi

(4)

(5)

(6)

(7)

按照規(guī)范的分層厚度要求，通過提取各分層頂面的最大豎向壓應(yīng)力，代入式(3)中，取無裂縫時(shí)的永久變形量為標(biāo)準(zhǔn)值．結(jié)果見表5．

表5 十種裂縫形式下的永久變形量

由表5可知:基層有裂縫，對瀝青層永久變形量基本無影響．

2) 根據(jù)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂驗(yàn)算 按照規(guī)范[11]對參數(shù)取值，根據(jù)底基層底彎拉應(yīng)力計(jì)算的疲勞壽命見表6．

表6 根據(jù)彎拉應(yīng)力反算的疲勞壽命

由表6可知:基層存在裂縫，對由底基層底彎拉應(yīng)力計(jì)算的疲勞壽命有顯著影響．

3) 根據(jù)瀝青混合料層疲勞開裂驗(yàn)算 按照規(guī)范[11]對參數(shù)取值，根據(jù)瀝青層底彎拉應(yīng)變計(jì)算的疲勞壽命見表7．

表7 根據(jù)彎拉應(yīng)變反算的疲勞壽命

由表7可知:基層存在裂縫，對由瀝青層底彎拉應(yīng)變計(jì)算的疲勞壽命有顯著影響．

5 結(jié) 論

1) 半剛性基層出現(xiàn)裂縫，對瀝青路面的影響主要表現(xiàn)為：路表彎沉、瀝青層底彎拉應(yīng)力應(yīng)變、底基層層底彎拉應(yīng)力應(yīng)變增加；基層受力模式隨裂縫形式變化，總體而言，基層受力有所改善．

2) 半剛性基層出現(xiàn)裂縫，造成疲勞壽命的大幅度下降，下降幅度隨基層裂縫的發(fā)展而增加；而裂縫對瀝青層永久變形量基本無影響．在確定的裂縫形式下，裂縫的寬度對受力模式及疲勞壽命基本無影響．