荷載與滲壓耦合作用下瀝青面層層底裂紋擴展分析

吳國雄，譚棟杰，袁傳泯

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.重慶市市政設(shè)計研究院，重慶400072)

瀝青水損害是導(dǎo)致瀝青路面早期破壞的主要原因之一。瀝青路面的多孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了降雨入滲，并在行車荷載作用下形成反復(fù)泵吸的動水壓力，對面層混合料進行沖洗、剝落等，從而導(dǎo)致混合料的松散、沉陷。同時，下滲后的雨水對基層的沖刷作用會導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑槽、唧漿等現(xiàn)象［1］。

從力學(xué)角度和材料角度分析，瀝青路面面層與基層交界面一般為最不利的位置。首先，在我國大規(guī)模使用半剛性基層的前提下，反射裂縫將從面層層底往上部擴展，會“撕裂”面層;其次，面層與基層交界面易出現(xiàn)脫空，導(dǎo)致動水壓力在此界面達到最大。因此，裂紋和缺陷往往首先出現(xiàn)在瀝青面層層底。在裂紋發(fā)展過程中，行車荷載的作用表現(xiàn)為對裂紋反復(fù)驅(qū)動，加上與動水壓力形成的耦合作用，造成了含有裂紋的瀝青混合料加速開裂。然而，以往的研究往往忽略了動水對含有裂紋的瀝青路面的劈裂作用。

筆者基于線彈性斷裂力學(xué)原理和有限元分析方法，對汽車荷載與動水壓力耦合作用下的面層層底含裂紋的瀝青路面進行裂紋擴展規(guī)律分析。

1 瀝青面層層底動水壓力大小估算

為了解動水壓力對瀝青路面的影響程度，國內(nèi)外對在行車荷載作用下瀝青路面出現(xiàn)的動水壓力大小進行了各種研究，包括現(xiàn)場試驗方法和數(shù)值方法。高俊啟，等［2］基于光纖Bragg光柵(FBG)傳感原理，現(xiàn)場測量了瀝青路面中動水壓力的大小。試驗表明，當汽車以20～80 km/h的速度行駛時，動水壓力作用時間為0.04～0.016 s，隨著車速增加，動水壓力存在的時間越短，且其值隨車速的增大而增加。車速為20 km/h時，動水壓力為0.085 MPa;車速為80 km/h時，動水壓力達到0.234 MPa。李少波，等［3］通過在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)電磁式流體壓強傳感器，測定了不同車速下動水壓力的大小，并提出了反應(yīng)兩者關(guān)系的回歸方程:P=v2/3 300，其中P為動水壓力，kPa;v為車速大小，km/h。董澤蛟［4］、周長紅［5］、崔新壯［6］，等，利用多孔介質(zhì)流固耦合理論和有限元計算方法，對動態(tài)汽車荷載作用下的瀝青路面內(nèi)部動水壓力進行了分析。各種計算結(jié)果認為，瀝青路面的初始滲流場、面層和基層的材料參數(shù)，以及汽車荷載大小等都會影響瀝青路面內(nèi)部動水壓力的大小，其中影響最大的是基層的滲透系數(shù)，基層滲透系數(shù)越大，越有利于消散面層的動水壓力。當基層滲透系數(shù)為典型的密實不透水的半剛性基層時，瀝青面層底部動水壓力最高可達到400～600 kPa。

2 瀝青路面斷裂分析有限元模型

2.1 基本假設(shè)

分析中采用以下基本假設(shè):

1)面層、基層、底基層、土基為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料;

2)各層間完全接觸，沒有滑移;

3)路面?zhèn)让嫠椒较蛭灰谱杂啥燃s束，垂直方向位移自由，土基底部水平方向和垂直方向位移自由度均約束;

4)路面自重忽略不計;

5)水壓力作用假定為作用于裂紋面上的均勻內(nèi)壓作用［7］。

2.2 模型尺寸、裂紋尖端的模擬

建模分析中路面水平和深度方向各取3.5 m，應(yīng)用二維實體單元進行離散處理，兩側(cè)面限制垂直于側(cè)面方向的位移，底部完全約束，面層表面為自由面。由于常規(guī)有限元在靠近裂尖處難以正確反映裂縫尖端應(yīng)力場的奇異性［8］，故在裂縫尖端需設(shè)置奇異單元，并將中間結(jié)點移置于靠近裂縫尖端1/4邊長時，以滿足裂縫尖端的奇異。劃分后的裂紋處網(wǎng)格模型如圖1。對于典型的半剛性基層的瀝青路面采用4層體系結(jié)構(gòu)，如表1。

圖1 裂紋附近區(qū)域網(wǎng)格模型Fig.1 Network model near the cracking area

表1 路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of pavement structure

3 汽車荷載作用下開裂分析

首先討論裂縫在車荷載作用下的擴展規(guī)律，并考慮了對稱加載和非對稱加載兩種最不利荷載位置。荷載作用模型如圖2。

圖2 汽車荷載作用下模型Fig.2 Model under traffic load

通過計算荷載作用下不同深度的面層裂縫(c/a為裂縫深度與面層厚度的比值)的應(yīng)力強度因子K來模擬裂紋擴展過程中應(yīng)力強度因子的變化規(guī)律。計算結(jié)果如圖3～圖5。

圖3 對稱荷載作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅠFig.3 Stress intensity factor KⅠ of asphalt surface crack tip under symmetrical load

圖4 偏荷載作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅠFig.4 Stress intensity factor KⅠ of asphalt surface crack tip under partial load

圖5 偏荷載作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅡFig.5 Stress intensity factor KⅡ of asphalt surface crack tip under partial load

由圖3可以看出，在對稱汽車荷載作用下，裂紋尖端張拉型應(yīng)力強度因子KⅠ為負值，說明裂紋尖端沒有垂直于裂紋面的張拉應(yīng)力，此時面層中的穿透裂紋為閉合型裂紋，在裂紋的擴展中起不到促進作用。由圖4、圖5可知，在偏汽車荷載的作用下，張拉型應(yīng)力強度因子KⅠ仍為負值，而剪切型應(yīng)力強度因子KⅡ隨著裂紋的擴展而增大。

由于作用于路面的實際荷載為運動荷載，總會經(jīng)歷上述非對稱加載的過程。由此可見，在汽車荷載作用下，導(dǎo)致面層中裂縫向上擴展的主要原因是由于裂縫尖端剪切應(yīng)力的作用。

4 汽車荷載作用與水壓力耦合作用下開裂分析

為進一步分析水壓力對面層層底裂縫擴展的影響，考慮3 種不同大小的水壓力(0.1，0.3，0.5 MPa)對裂紋面上的劈裂作用，并按僅有水壓力作用、水壓力+對稱荷載、水壓力+偏荷載等3種組合進行對比分析。模型如圖6。

圖6 汽車荷載與水壓力耦合作用下模型Fig.6 Model under traffic load and water pressure

計算結(jié)果如下圖7～圖10。

圖7 水壓力作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅠFig.7 Stress intensity factor KⅠ of asphalt surface crack tip under water pressure load

圖8 水壓力與對稱荷載作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅠFig.8 Stress intensity factor KⅠ of asphalt surface crack tip under water pressure and symmetrical

圖9 水壓力與偏荷載作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅠFig.9 Stress intensity factor KⅠ of asphalt surface crack tip under water pressure and partial load

圖10 水壓力與偏荷載作用下瀝青面層裂縫尖端應(yīng)力強度因子KⅡFig.10 Stress intensity factor KⅡ of asphalt surface crack tip under water pressure and partial load

由圖7可知，水壓力的劈裂作用使裂紋尖端的張拉型應(yīng)力強度因子KⅠ增加，這種作用隨著裂紋的擴展而增加。且KⅠ的大小隨著水壓力的增大而增大。說明水壓力的作用將導(dǎo)致裂紋的張拉擴展。

由圖8可以看出，面層層底裂紋在荷載和水壓力的共同作用下的擴展中，張拉型應(yīng)力強度因子KⅠ在水壓力為0.1 MPa和0.3 MPa時都為負值，說明此時裂紋仍然處于閉合狀態(tài)，而當水壓力增加到0.5 MPa時，隨著裂紋的擴展，張拉型應(yīng)力強度因子KⅠ由負值變化為正值并逐步增加，說明在對稱荷載的作用下，水壓力的增加也會導(dǎo)致裂紋尖端出現(xiàn)張拉擴展。

當水壓力為0.1 MPa時，KⅠ仍然為負值，而當水壓力增加至0.3 MPa以及 0.5 MPa時，KⅠ為正值，并且隨著裂紋的擴展而逐步增加，如圖9。

在偏荷載與水壓力的共同作用下，水壓力的變化并未改變剪切型應(yīng)力強度因子KⅡ，因為水壓力并未產(chǎn)生剪切作用。然而，水壓力的作用下張拉型應(yīng)力強度因子KⅠ出現(xiàn)了較大的變化，如圖10。

綜上所述，水壓力的作用明顯改變了對稱荷載與偏荷載作用下裂紋擴展規(guī)律，隨著水壓力的增大，裂紋尖端呈現(xiàn)張拉型擴展與剪切型擴展共同作用的復(fù)合形式。

5 結(jié)論

在對瀝青路面面層層底動水壓力估算的基礎(chǔ)上，基于線彈性斷裂力學(xué)原理和有限元分析方法，對汽車荷載與動水壓力耦合作用下面層層底含裂紋的瀝青路面進行了裂紋擴展規(guī)律分析，并得到了以下結(jié)論:

1)汽車荷載作用會在瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生較大的動水壓力，同時，汽車荷載與動水壓力耦合作用會對瀝青路面的裂紋擴展產(chǎn)生較大的影響。

2)汽車荷載作用下，導(dǎo)致路面面層層底裂縫向上擴展的主要原因主要是由于裂縫尖端剪切應(yīng)力的作用。

3)汽車荷載與動水壓力的共同作用下，動水壓力的作用改變了對稱荷載與偏荷載作用下裂紋擴展規(guī)律，并且隨著動水壓力的增大，裂紋尖端呈現(xiàn)張拉型擴展與剪切型擴展共同作用的復(fù)合形式，從而加速了瀝青路面的破壞。

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