開級配大粒徑瀝青碎石防裂層 瀝青路面應力與抗裂機理數值分析

郭紅兵，趙亞

(1.陜西交通職業技術學院 公路工程系，陜西 西安 710018；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.長安大學 材料學院，陜西 西安 710064)

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開級配大粒徑瀝青碎石防裂層 瀝青路面應力與抗裂機理數值分析

(1.陜西交通職業技術學院 公路工程系，陜西 西安 710018；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.長安大學 材料學院，陜西 西安 710064)

反射裂縫是半剛性基層瀝青路面和剛性基層瀝青路面的主要病害之一，針對這一問題，提出了采用開級配大粒徑瀝青碎石混合料作為裂縫緩解層的方法，利用其大粒徑礦料多、瀝青含量少及空隙率大的結構特點消散及吸收裂縫處路面應力。以國內外OLSM參考級配為基礎，結合試驗段修筑情況，采用有限元方法，建立設置OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面三維有限元模型，對設置不同類型裂縫緩解層、1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面結構進行熱-荷載耦合應力對比分析，從宏觀力學響應方面闡釋了OLSM-25裂縫緩解層的抗裂機理。結果表明：與相同厚度的普通AC-25裂縫緩解層相比，OLSM-25裂縫緩解層的溫度敏感性相對較小，具有較高的承載能力和良好的應力消減及緩解性能；在相同的外部荷載作用下，隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，以及抗壓回彈模量和線膨脹系數的降低，其自身的車輛荷載應力、溫度應力、耦合應力呈總體降低趨勢。在實際工程應用中，僅從緩解應力效果及抗裂性能方面考慮，選擇級配偏粗、空隙率較大的3#級配OLSM-25作為裂縫緩解層效果較好，但應嚴格控制施工中的離析問題。

道路工程；開級配大粒徑瀝青碎石；三維有限元；應力分析；抗裂機理；裂縫緩解層

0 引 言

反射裂縫是半剛性基層瀝青路面和剛性基層瀝青路面的主要病害之一，為了解決剛性基層瀝青路面的瀝青面層反射裂縫問題，近年來我國部分學者提出開級配大粒徑瀝青碎石混合料(Open-graded Large Stone Asphalt Mixes,OLSM)[1-4]，并將其作為裂縫緩解層設置在瀝青面層的下面層，鋪筑在帶有裂縫(或接縫)的貧混凝土剛性基層之上。

國內外道路工程界針對瀝青路面反射裂縫的研究主要集中在2個方面：一是系統地揭示瀝青路面反射裂縫產生的力學機理，二是尋求阻止瀝青路面反射裂縫產生、擴展的方法。OLSM作為裂縫緩解層，其大空隙結構可有效阻止或延緩反射裂縫的產生及擴展，并有效排出路面結構內的積滯水，提高瀝青路面的耐久性。目前，國內外針對OLSM的研究工作主要概括為以下4大方面：瀝青面層反射裂縫的產生及擴展機理、OLSM級配設計與性能評價方法、OLSM瀝青路面力學特性分析、OLSM瀝青路面結構設計方法。針對OLSM裂縫緩解層材料的研究基本停留在室內試驗和野外試驗路檢測階段，很少從力學角度對其抗裂機理進行系統研究。

在交通荷載和環境因素共同作用下，設置OLSM裂縫緩解層的瀝青路面結構內會產生荷載應力、溫度應力及耦合應力。對于設置在帶裂縫基層之上的OLSM裂縫緩解層而言，當交通荷載和環境因素共同作用產生的荷載應力、溫度應力及耦合應力超過OLSM混合料的容許抗拉強度時，OLSM裂縫緩解層將產生開裂破壞。隨著交通荷載和環境因素的反復作用，裂縫自下而上逐漸擴展至瀝青面層路表，最終導致整個瀝青路面結構破壞。為探索OLSM緩解層瀝青路面結構的抗裂機理與理論依據，本文在已有研究成果[5-8]的基礎上，以國內外OLSM參考級配為基礎，結合子(洲)至靖(邊)高速公路OLSM-25緩解層瀝青路面試驗段修筑情況，采用有限元方法，建立設置OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面三維有限元模型，對設置不同類型裂縫緩解層、1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面結構進行熱-荷載耦合應力對比分析，從宏觀力學響應方面闡釋了OLSM-25裂縫緩解層的抗裂機理。為OLSM緩解層瀝青路面結構設計提供理論依據，并在此基礎上總結其抗裂機理，對于OLSM緩解層瀝青路面在我國的進一步推廣應用具有一定的現實實踐與理論指導意義。

1 試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面結構

子(洲)至靖(邊)高速公路是國家高速公路網主骨架中青(島)至銀(川)國道主干線(GZ35)陜西境的重要路段，為了研究OLSM的抗反射裂縫能力和耐久性能，本文依托子靖高速實體工程開展OLSM緩解層瀝青路面試驗路研究。子(洲)至靖(邊)高速公路K124+266.8～+894.8試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面結構如圖1所示。

4cmSBSAC-13C瀝青混凝土5cmSBSAC-20C瀝青混凝土9cmOLSM-25裂縫緩解層18cm貧混凝土基層16cm水泥穩定碎石20cm綜合穩定土土 基

圖1 試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面結構

Fig.1 Asphalt pavement structure with OLSM-25 cracking relief layer in test roads

2 有限元計算模型與參數

2.1 計算模型

OLSM-25緩解層瀝青路面結構可視為由瀝青面層、OLSM-25裂縫緩解層、貧混凝土基層及基礎組成的彈性層狀體系，其中基礎指由路基、底基層等組成的路面綜合支承體系。在進行有限元分析之前，需做以下幾點假定[9-11]

1) 路面結構為均勻連續的彈性體系；

2) 路面結構層間接觸條件為完全連續；

3) 路面結構底部X方向、Y方向位移均為零，基礎側面水平位移為零；

4) 在進行應力分析時，不考慮路面結構重力場；

5) 基層中部存在寬度1 cm的原始裂縫缺陷，在裂縫處不能傳遞豎向荷載。根據已有研究中對于瀝青路面結構計算模型的收斂性分析結論[12-13]，基礎擴大尺寸擬定為16.00 m×10.50 m×9.00 m.

在進行BZZ-100偏載與△T=-10 ℃降溫條件共同作用下的耦合應力分析時荷載條件如下：

1) 輪載采用標準軸載BZZ-100，輪胎內壓0.7 MPa，雙輪間距32 cm，兩側輪隙間距182 cm.經過對中荷載(即車輪荷載作用在基層裂縫正上方中部)、偏荷載(即車輪荷載作用在基層裂縫單側)2種荷載作用位置對比分析[13]可知，偏荷載作用為最不利荷載位置；

2) 取0 ℃作為參考溫度，只考慮降溫情況，取△T=-10 ℃.OLSM-25緩解層瀝青路面結構的計算模型及有限元模型如圖2所示。為了模擬OLSM-25緩解層的大空隙結構，采用有限元法建模時在該結構層中布孔(孔為圓形，呈梅花式布置)，OLSM-25緩解層的空隙率為15%.

圖2 OLSM-25緩解層瀝青路面計算模型及有限元模型(cm)

圖3為△T=-10 ℃降溫條件下，基層裂縫處OLSM-25緩解層瀝青路面結構的變形情況。由圖3可知在△T=-10 ℃降溫條件下，由于瀝青面層頂面溫度降低使得路面結構產生收縮變形，而路面結構的溫度梯度又使貧混凝土基層產生“凹形”翹曲變形，這2種變形疊加使得貧混凝土基層裂縫產生張開變形而使OLSM-25裂縫緩解層底面受拉。

圖3 基層裂縫處OLSM-25緩解層瀝青路面的變形情況

2.2 計算參數

對于OLSM-25裂縫緩解層，本文以國內外OLSM-25參考級配為基礎[8]，依據貝雷法采用0.22 NMPS(取4.75 mm)作為粗、細集料的分界點，應用變I法原理設計OLSM-25級配，結合空隙率(15%～20%)要求，提出OLSM-25推薦級配范圍，以OLSM-25推薦級配的上限、中值、下限為1#～3#級配，見表1.在試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面結構中，采用1#級配OLSM-25作為裂縫緩解層，主要計算參數見表2.

表1 1#～3# OLSM-25級配組成Tab.1 Gradation composition of 1#～3# OLSM-25

表2 主要計算參數Tab.2 Main calculation parameters

3 設置OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面應力與抗裂機理分析

3.1 不同類型裂縫緩解層應力對比分析

為比較不同類型裂縫緩解層在BZZ-100偏載作用下、△T=-10 ℃降溫條件下、以及交通荷載與降溫條件共同作用下的荷載應力、溫度應力、耦合應力，此處采用相同厚度的普通AC-25裂縫緩解層代替OLSM-25裂縫緩解層，分別對設置2種不同類型裂縫緩解層的瀝青路面結構進行應力對比分析。計算模型采用試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面基本結構(圖2)，主要計算參數見表2.根據材料的3個強度理論：最大拉應力理論、最大剪應力理論及形狀改變比能理論，在以下的應力對比分析[14-15]中，主要考察普通AC-25裂縫緩解層與OLSM-25裂縫緩解層的最大主應力σ1,最大剪應力τmax及等效應力σe3個值。

3.1.1 荷載應力對比分析

圖4為BZZ-100偏載作用下，普通AC-25裂縫緩解層與OLSM-25裂縫緩解層的荷載應力計算結果。當采用厚度9 cm的普通AC-25裂縫緩解層時，其自身σ1,τmax及σe依次為0.370，0.163，0.893 MPa；當采用厚度9 cm的OLSM-25裂縫緩解層時，其自身σ1，τmax及σe依次為0.304，0.142，0.819 MPa；后者的σ1，τmax及σe比前者分別減小了17.8%，12.9%，8.3%，采用OLSM-25作為裂縫緩解層，可有效降低荷載應力，緩解車輛荷載在基層裂縫尖端位置的應力集中現象。

荷載應力對比分析結果表明：由于OLSM-25大空隙結構中大粒徑礦料多，而模量與空隙率成反比，因此其模量較小；大粒徑礦料之間通過良好的石-石接觸形成骨架結構，能夠提供較大的內摩阻力，承受較大的車輛荷載作用；與相同厚度的普通AC-25裂縫緩解層相比，由于OLSM-25混合料中粗集料粒徑大，粗集料顆粒之間應力傳遞路徑及方向明確，粗、細集料顆粒之間容易產生錯動的薄弱接觸面數量相對減少，從而具有較高的承載能力和良好的荷載應力消減及緩解性能。

圖4 不同類型裂縫緩解層荷載應力對比分析

3.1.2 溫度應力對比分析

在△T=-10 ℃降溫條件下，普通AC-25裂縫緩解層與OLSM-25裂縫緩解層的溫度應力計算結果見圖5。當采用厚度9 cm的普通AC-25裂縫緩解層時，其自身σ1,τmax及σe依次為0.357，0.153，0.834 MPa；當采用厚度9 cm的OLSM-25裂縫緩解層時，其自身σ1，τmax及σe依次為0.286，0.130，0.784 MPa；后者的σ1，τmax及σe比前者分別減小了19.9%，15%，6%，說明采用OLSM-25作為裂縫緩解層，可有效降低基層裂縫尖端位置的溫度應力。

溫度應力對比分析結果表明：由于骨架空隙型OLSM-25的模量及線膨脹系數小，其強度主要由內摩阻力提供，OLSM-25混合料中粗集料的內摩阻角φ明顯大于普通AC-25混合料，在降溫條件下，由于粗集料的內摩阻角φ值及內摩阻力變化較小，強度衰減慢，OLSM-25裂縫緩解層的溫度敏感性明顯小于普通AC-25裂縫緩解層，因而具有良好的溫度應力消減及緩解性能。

圖5 不同類型裂縫緩解層溫度應力對比分析

3.1.3 耦合應力對比分析

圖6為BZZ-100偏載與△T=-10 ℃降溫條件共同作用下，普通AC-25裂縫緩解層與OLSM-25裂縫緩解層的耦合應力計算結果。當采用厚度9 cm的普通AC-25裂縫緩解層時，其自身σ1，τmax及σe依次為0.281，0.142，0.788 MPa；當采用厚度9 cm的OLSM-25裂縫緩解層時，其自身σ1,τmax及σe依次為0.243,0.124,0.711 MPa；后者的σ1，τmax及σe比前者分別減小了13.5%，12.7%，9.8%，說明采用OLSM-25作為裂縫緩解層，可有效降低基層裂縫尖端位置的耦合應力。

耦合應力對比分析結果表明：與普通AC-25裂縫緩解層相比，骨架空隙型OLSM-25的空隙率較大(15%～20%)，在車輛荷載與降溫條件共同作用下，這種大空隙結構具有較大的塑性變形能力，能夠有效阻隔基層反射裂縫的擴展路徑，減緩反射裂縫的擴展速度，消減和吸收由車輛荷載與降溫條件共同作用所產生的耦合應力。

圖6 不同類型裂縫緩解層耦合應力對比分析

3.2 不同級配OLSM-25裂縫緩解層應力對比分析

為比較不同級配OLSM-25裂縫緩解層在BZZ-100偏載作用下、△T=-10 ℃降溫條件下、以及交通荷載與降溫條件共同作用下的荷載應力、溫度應力、耦合應力，此處以OLSM-25推薦級配為基礎，分別對設置1#級配(上限)、2#級配(中值)、3#級配(下限)OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面結構進行應力對比分析[15-18]。計算模型見圖2，主要計算參數見表2，其中1#～3#級配OLSM-25的空隙率及抗壓回彈模量試驗結果見表3.

表3 1#～3#級配OLSM-25空隙率及抗壓回彈模量試驗結果Tab.3 Test results of porosity and compressive resilient modulus of 1#～3# gradation OLSM-25

3.2.1 荷載應力對比分析

在荷載應力分析中，1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的計算參數差異主要體現在空隙率及抗壓回彈模量2個指標取值上。在BZZ-100偏載作用下，1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的荷載應力計算結果如圖7所示。隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，其抗壓回彈模量呈總體降低趨勢，其自身σ1依次為0.307,0.297，0.285 MPa(降幅7%)，τmax依次為0.143，0.140，0.136 MPa(降幅5%)，σe依次為0.822，0.811，0.797 MPa(降幅3%)。由此可見，隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，以及抗壓回彈模量的降低，其自身荷載應力呈總體降低趨勢，但降幅不大。

圖7 1#～3#級配OLSM-25緩解層荷載應力對比分析

3.2.2 溫度應力對比分析

在溫度應力分析中，1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的計算參數差異主要體現在空隙率、抗壓回彈模量及線膨脹系數3個指標取值上。圖8為△T=-10 ℃降溫條件下，1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的溫度應力計算結果。隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，其抗壓回彈模量及線膨脹系數呈總體降低趨勢，其自身σ1依次為0.293，0.284，0.277 MPa(降幅5%)，τmax依次為0.131，0.128，0.123 MPa(降幅6%)，σe依次為0.786，0.778，0.770 MPa(降幅2%)。由此可見，隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，以及抗壓回彈模量和線膨脹系數的降低，其自身溫度應力呈總體降低趨勢，但降幅不大。

圖8 1#～3#級配OLSM-25緩解層溫度應力對比分析

3.2.3 耦合應力對比分析

在耦合應力分析中，1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的計算參數差異主要體現在空隙率、抗壓回彈模量及線膨脹系數3個指標取值上。在BZZ-100偏載與△T=-10 ℃降溫條件共同作用下，1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的耦合應力計算結果如圖9所示。隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，其抗壓回彈模量及線膨脹系數呈總體降低趨勢，其自身σ1依次為0.245，0.239，0.232 MPa(降幅5%)，τmax依次為0.125，0.122，0.119 MPa(降幅5%)，σe依次為0.714，0.703，0.689 MPa(降幅4%)。由此可見，隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，以及抗壓回彈模量和線膨脹系數的降低，其自身耦合應力呈總體降低趨勢，但降幅不大。

以上荷載應力、溫度應力、耦合應力分析結果表明：隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，以及抗壓回彈模量和線膨脹系數的降低，其自身的車輛荷載應力、溫度應力、耦合應力呈總體降低趨勢，但降幅不大。在相同的外部荷載作用下，1#級配OLSM-25集料組成相對偏細，空隙率相對較小，其抗壓回彈模量及自身應力相對較大；2#級配OLSM-25粗、細集料組成適中，其空隙率、抗壓回彈模量及自身應力相對適中；3#級配OLSM-25集料組成相對偏粗，空隙率相對較大，其抗壓回彈模量及自身應力相對較小。在實際工程應用中，當采用OLSM-25作為裂縫緩解層時，從緩解應力效果及抗裂性能方面考慮，應選擇級配偏粗、空隙率較大的3#級配OLSM-25混合料；但并非級配偏粗、空隙率較大時OLSM-25的路用性能最優，當粗集料含量過多、空隙率過大時，在OLSM-25混合料的拌和、運輸、攤鋪、壓實等施工環節中容易出現離析問題，施工質量難以得到有效控制。

圖9 1#～3#級配OLSM-25緩解層耦合應力對比分析

4 試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面路用性能檢測

子(洲)至靖(邊)高速公路OLSM-25緩解層瀝青路面試驗段的路用性能檢測結果見表4，其中OLSM-25各項路用性能指標的技術要求根據其自身路用性能試驗研究成果[13]提出。由表4可知，OLSM-25裂縫緩解層的高溫穩定性、水穩定性、劈裂強度(15 ℃)、無側限抗壓強度(15，20 ℃)、抗壓回彈模量(15，20 ℃)指標均滿足技術要求。試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面歷經6年交通荷載和自然環境因素的綜合作用，截止目前使用狀況良好，尚未發現反射裂縫的生長跡象；而子(洲)至靖(邊)高速公路上未設置OLSM-25裂縫緩解層的半剛性基層瀝青路面局部路段已產生了不同程度的輕微反射裂縫。由此可見，作為裂縫緩解層，OLSM-25可有效防止(或減緩)貧混凝土基層瀝青路面的反射裂縫，是一種可以緩解反射裂縫的有效材料。

表4 試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面路用性能檢測結果Tab.4 Test results of road performance of asphalt pavement with OLSM-25 cracking relief layer in test roads

5 結 論

1) 設置不同類型裂縫緩解層的瀝青路面荷載應力、溫度應力、耦合應力對比分析結果表明，與相同厚度的普通AC-25裂縫緩解層相比，OLSM-25裂縫緩解層溫度敏感性相對較小，具有較高的承載能力和良好的荷載應力、溫度應力消減及緩解性能；具有較大的塑性變形能力，能夠有效阻隔基層裂縫自下而上的擴展路徑，減緩反射裂縫的擴展速度，消減和吸收由車輛荷載與降溫條件共同作用所產生的耦合應力；

2) 設置1#～3#級配OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面應力對比分析結果表明，在相同的外部荷載作用下，隨著1#～3#級配OLSM-25空隙率的增大，以及抗壓回彈模量和線膨脹系數的降低，其自身的車輛荷載應力、溫度應力、耦合應力呈總體降低趨勢。在實際工程應用中，僅從緩解應力效果及抗裂性能方面考慮，選擇級配偏粗、空隙率較大的3#級配OLSM-25作為裂縫緩解層效果較好，但應嚴格控制施工中的離析問題；

3) 在試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面修筑時，主要考慮OLSM-25施工中的離析問題，僅采用1#級配OLSM-25作為裂縫緩解層；在后續研究中，將采用2#，3#級配OLSM-25作為裂縫緩解層，結合試驗段OLSM-25緩解層瀝青路面長期性能監測數據進行抗裂性能對比分析，為OLSM-25緩解層瀝青路面的進一步推廣應用奠定基礎。

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Numerical analysis on stress and anti-cracking mechanism of open-graded large stone asphalt mixes cracking relief layer in asphalt pavement

(1.DepartmentofHighwayEngineering,ShaanxiCollegeofCommunicationandTechnology,Xi’an710018,China;2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

The reflective cracking is one of the main damages of semi-rigid base asphalt pavement and rigid base asphalt pavement.Aiming at this problem,a method of using Open-graded Large Stone asphalt Mixes(OLSM) as the cracking relief layer is proposed,large mineral aggregate,low asphalt content and great porosity can dissipate or absorb stresses and strain around the crack.The three-dimensional finite element model of asphalt pavement structure with OLSM-25 cracking relief layer is established by the finite element method according to the reference gradation of OLSM both at home and abroad and the condition of construction in the test roads.After comparative analyzing on the temperature-load coupling stress in asphalt pavement structure with different types of cracking relief layer and 1#～3#gradation OLSM-25 cracking relief layer, illustrate the anti-cracking mechanism of OLSM-25 cracking relief layer from the aspects of macro mechanical response.The results show that compared to the ordinary AC-25 cracking relief layer with the same thickness,the temperature sensitivity of OLSM-25 cracking relief layer is relatively low and it has higher carrying capacity and better stress relief performance than that of ordinary AC-25 cracking relief layer.Under the action of the same external load,the vehicle load stress,temperature stress and coupled stress of OLSM-25 cracking relief layer show overall decreasing trend with its increasing porosity,decreasing compression modulus and coefficient of linear expansion.In practical engineering applications,it is better to choose 3#gradation OLSM-25 with more coarse gradation and greater porosity as the cracking relief layer,but we should pay more attention to the problem of segregation and control it strictly in construction.

road engineering；open-graded large stone asphalt mixes；three-dimensional finite element；stress analysis；anti-cracking mechanism；cracking relief layer

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0121

1672-9315(2015)01-0120-08

2014-08-10責任編輯:李克永

陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1067);中央高校基本科研業務費專項資金項目(CHD 2010JC011)

郭紅兵(1976-), 男, 陜西扶風人,博士,副教授,E-mail:329639783@qq.com

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