瀝青路面裂縫病害分析

周衛華　（海門東方路橋工程有限公司，江蘇　海門　226100）

瀝青路面裂縫病害分析

周衛華（海門東方路橋工程有限公司，江蘇海門226100）

裂縫是瀝青路面的主要病害之一，也是道路養護治理的難點。橡膠瀝青的主要優點是其優越的抗裂性能。本課題以公路養護工程為依托，在力學分析及模擬分析的基礎上，探究帶裂縫路面力學特性，分析得出剪應力與拉應力是瀝青層裂縫形成的主要原因。基層出現裂縫時，面層的剪應力和最大主拉應力位于下面層的底面，因此對于養護工程，當基層有裂縫時，更應提升面層材料的抗裂性能。

道路工程；瀝青路面；裂縫；模擬分析

0　前言

在道路工程中，瀝青路面作為一種主要形式，其結構為一種無接縫連續式柔性路面，并被廣泛應用于道路建設中。隨著現代公路交通工程朝著大流量、高速、重載和渠化明顯的方向發展，加之我國地域寬廣，南北溫差較大，嚴酷的氣候條件和地理差異都使瀝青路面在使用中出現了不同形式的病害［1］。

瀝青路面所存在的病害中，瀝青路面的開裂是主要病害之一。路面裂縫的形式可分為橫向裂縫、縱向裂縫和網狀裂縫。瀝青路面開裂的原因主要分為兩大類：一種是由于交通荷載的作用而產生的結構性破壞裂縫，稱為荷載型裂縫；另一種稱作非荷載型裂縫，非荷載型裂縫可分為由于瀝青面層自身溫度變化而產生的溫縮裂縫和由基層溫縮、干縮及疲勞而引起的面層反射裂縫［2］。隨著裂縫逐年加寬，邊緣折斷破碎，使路面平整度降低，行車舒適性大大降低，嚴重危及道路的使用性能，因此如何有效的控制瀝青路面的開裂是瀝青混合料在公路工程使用中一個迫在眉睫的問題［4］。

1　瀝青路面裂縫類型及危害

1.1裂紋類型

在實際工程結構中的裂紋，由于外加作用力及位移方式的不同，通常分為3種基本形式，即：張開型裂紋（I型裂紋）、滑開型裂紋（Ⅱ型裂紋）、撕開型裂紋（Ⅲ型裂紋）（見圖1）。

圖1　裂縫的三種基本類型

圖1中（a）為張開型（I型）裂紋：裂紋受到垂直與裂紋表面的拉應力σ，在σ的作用下，裂紋面產生張開變形，裂紋擴展方向與σ方向垂直；（b）為滑開型（II型）裂紋：裂紋受到平行于裂紋表面的剪應力τ，τ垂直于裂紋前緣，在τ的作用下，裂紋兩個平面產生沿τ方向滑開位移；（c）為撕開型（Ⅲ型）裂紋：裂紋受到平行于裂紋面的剪應力τ，τ平行于裂紋前緣，在τ的作用下，兩個平面裂紋產生沿τ方向錯開位移。在實際路面結構中，這種裂紋形式較少出現，一般不予考慮。工程實際的裂紋斷裂形式可以分解上述3種裂紋的組合。

當車輛通過半剛性下基層裂縫對應處的路面時，瀝青面層的受力分為兩個狀態：①車輛荷載位于接縫或裂縫一側時，即偏荷載，將引發剪切型移動，在瀝青碎石基層中產生較大的剪切應力；②荷載位于裂縫正上方時，即對稱荷載，將引發張開型移動，瀝青穩定碎石基層主要承受彎拉應力作用。對于縱向裂縫而言，車輛荷載位于裂縫正上方的幾率相對較少，偏荷載是應考慮的主要因素。

影響道路質量的主要因素之一是路面損傷，其中路面裂縫為路面損傷的主要方面。瀝青混凝土的開裂過程先后經歷4個階段，即初始無損階段、微裂紋形成及穩定擴展的連續損傷階段、微裂紋匯合的損傷開裂階段和完全斷裂階段。對于通車6～7年或者時間更長的公路，裂縫成為路面的最主要病害形式，裂縫又分為橫向裂縫與縱向裂縫兩種。

1.2裂紋的危害

裂縫的最主要危害是瀝青路面水損害。在行車荷載作用下，水對瀝青路面的損壞現象非常普遍。常見的坑槽、唧漿都是水損壞的表現。對于應用半剛性基層的瀝青路面結構，當面層出現裂縫后，外界水可以不斷地滲入并積存于基層頂面，因為半剛性基層致密、不透水，極易引起基層的沖刷，基層結合料在侵入水的浸泡下形成泥漿或灰漿，經行車荷載的反復擠壓，使它從裂縫中被擠壓而出，在面層出現白色灰漿，這種現象即為唧漿。在唧漿現象中，水侵入路面結構內部的途徑是路面上出現的裂縫，唧漿的范圍限于裂縫的周圍。

當基層也存在裂縫時，外界水則會繼續下滲進入底基層或路基，積聚的水分沖刷底基層，在基層縱縫中可見到明顯的唧泥；當底基層本身板體性較差或水分浸泡時間較長時，底基層潮濕、軟化，承載力大幅下降；嚴重時甚至積水，出現局部結構破壞。

2　帶裂縫路面結構受力分析

2.1模型建立

在路況調查時，發現面層出現縱縫路段，水泥穩定碎石基層都有縱縫。瀝青路面基層存在縱向裂縫時，路面力學性能將發生改變。本小節通過有限元分析，探討基層帶裂縫路面結構受力特點的變化。路面三維建模時單元均采用20節點實體單元縮減積分C3D20R，該單元能夠更精確的計算單元應變分量，并且很好的承受扭曲變形，是應力/位移模擬的合適選擇。路面結構在水平方向取6m，深度方向取5m。在非對稱橫斷面上完全約束，對稱面上限制垂直于對稱面方向的位移，對于行車方向斷面約束自由，底部完全約束。面層表面作為自由面，不進行任何約束。縱縫取位置在左側輪跡帶位置。對于裂縫特殊結構的模擬，由于常規有限元在靠近裂尖處難以正確反映裂縫尖端應力場的奇異性，故在裂縫尖端需設置奇異單元。三維裂縫尖端的奇異單元采用20結點的六面體所退化的五面體單元，退化面化為裂縫前緣，并將中間結點移置于靠近裂縫尖端1/4邊長時，滿足裂縫尖端的奇異性。用Abaqus模擬開裂路面的計算模型如圖2、3。

圖2　開裂的三維路面結構模型圖

圖3　下基層開裂裂縫局部模型

作用于路面的車輛荷載采用標準軸載BZZ-100。輪胎接地壓強為0.7MPa，考慮輪胎胎紋間隙，計算時應力值取 0.9MPa，單輪傳壓面當量圓直徑為21.30cm，輪胎接觸面積由1個矩形和2個半圓形組成。為方便有限元計算，接觸面積可進一步簡化為等寬的單一矩形0.8712L×0.6L，其中L=260mm，即作用面積為0.228m×0.157mm，雙輪中心距為32cm。車輛荷載布置考慮最不利情況，即偏載作用。布載位置如圖4所示。

圖4　車輛偏載分布圖

2.2標準荷載計算結果

模型離散化后，根據對各結構層的假定約束條件，在最不利荷載位施加荷載，進行求解。經過有限元計算，可得出路面結構瀝青面層頂面的第一主應力σ1，Tresca應力（注：等于σ1-σ3），以及最大剪應力τ（注：等于（σ1-σ3）/2）。計算結果以云圖形式表示，如圖5～8所示。

圖5　瀝青面層σ1應力云圖

圖6　瀝青面層σx應力云圖

圖7　瀝青面層Tresca應力云圖

圖8　瀝青面層τxy應力云圖

由圖5～8可知，當瀝青路面基層開裂時，在車輛偏載作用下，瀝青面層第一主應力最大值σ1= 0.17MPa；σx最大值為0.07MPa，剪應力的最大值τ= 0.43MPa，τxy最大值為0.40MPa。

經過應力云圖的局部觀察，發現最大剪應力和τxy最大值均位于上面層底面處附近，因此取上面層底面的應力分布情況來探討路面開裂前后瀝青面層的受力性能的改變情況。

圖9、10為無裂縫路面和有裂縫路面瀝青面層上面層底面的內力對比圖；表1為瀝青路面結構開裂前后面層應力最大值對比數據。

瀝青路面開裂前后面層應力分析（MPa）　表1

圖9　瀝青面層上面層底面τxy

圖10　瀝青面層上面層底面最大剪應力

對下基層不開裂和下基層開裂的兩種路面，通過有限元分析，可得出如下結論：

①瀝青路面不開裂時，面層的最大主應力為0.185MPa，而當下基層開裂時，面層最大主應力為0.17MPa，結構應力基本上相同；

②瀝青路面不開裂時，面層的最大剪應力為0.35MPa，而下基層開裂時，面層的最大剪應力為0.43MPa，增幅達到23%，不開裂時，面層的τxy最大值為0.33MPa，開裂后最大值為0.40MPa，增幅為21%，同時從上面層底面的應力分布圖也可以明顯看到，當下基層開裂時，面層的剪應力有較明顯的增加。

2.3重載作用下力學分析

有調查研究發現，實際的路面荷載最大可達到1.217MPa，屬于重載，用Abaqus模擬計算超載下瀝青面層受力狀況，選用荷載工況為偏載，下基層開裂。

經過有限元計算，可得出路面結構瀝青面層頂面的第一主應力σ1，Tresca應力（注：等于σ1-σ3），以及最大剪應力（注：等于（σ1-σ3）/2）。計算結果顯示：當瀝青面層開裂時，在車輛重載作用下，瀝青面層第一主應力最大值 σ1=0.23MPa；剪應力的最大值 τ= 0.58MPa，τxy最大值為0.54MPa。

瀝青路面不同荷載作用下面層應力分析（MPa）　表2

表2為下基層開裂的瀝青路面在標準軸載和超載作用下的面層應力對比，可以清楚看到，當荷載增加時，無論是最大主拉應力，還是最大剪切應力，都有較大增加，增幅均在35%左右，荷載增加時，開裂的瀝青路面將更容易破壞。

3　結論

本文在力學分析及模擬分析的基礎上得出以下結論：

①對瀝青路面裂縫病害進行調查，分析裂縫成因及裂紋發展規律，得出剪應力與拉應力是瀝青層裂縫形成的主要原因；

②當瀝青路面基層開裂時，在車輛偏載作用下，最大剪應力和τxy最大值均位于上面層底面處附近，上面層材料的抗裂性能影響路面結構整體的抗裂性；

③當瀝青路面下基層開裂時，會導致面層的剪應力增加，標準軸載時，面層的最大剪應力為0.43MPa，同完好路面相比增幅23%；最大剪應力位于上面層中間位置。

［1］譚軍.纖維橡膠瀝青混合料路用性能研究［D］.長沙：長沙理工大學，2007.

［2］寧金成.瀝青橡膠碎石、玻璃纖維瀝青碎石混合料路面抗裂性能研究［D］.長沙：湖南大學，2002.

［3］玉俊杰.基于預防性養護的高速公路瀝青路面使用性能評價和預測模型研究［D］.北京：北京交通大學，2009.

U416.217

B

1007-7359（2016）04-0175-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.069

周衛華（1977-），男，江蘇海門人，畢業于江蘇理工大學，工程師。