剛性基層瀝青路面瀝青層破壞行為與機理

李盛，陳尚武，劉朝暉，李宇峙

(長沙理工大學 公路養護技術國家工程實驗室，湖南 長沙，410004)

剛性基層瀝青路面瀝青層破壞行為與機理

李盛，陳尚武，劉朝暉，李宇峙

(長沙理工大學 公路養護技術國家工程實驗室，湖南 長沙，410004)

針對剛性基層瀝青路面結構的特點和現有研究的不足，運用損傷力學理論和數值仿真法，并結合對實體工程的觀測，研究剛性基層瀝青路面瀝青層的破壞行為與機理。研究結果表明：剛性基層瀝青路面的車轍深度隨荷載作用次數的增加而增加，但增加幅度隨作用次數的增加不斷減小，且車轍深度比其他路面結構的小；在瀝青層表面以下1/5厚度左右處及接縫附近的瀝青層底面易出現剪切疲勞損傷，建議瀝青層的厚度不宜太薄，應在接縫處采取一定的抗裂措施。瀝青層的縱向裂縫主要集中在行車道輪跡帶附近，部分橫向裂縫也僅從表面向下延伸2 cm左右，這些裂縫均為Top?Down裂縫。連續配筋混凝土板上瀝青層有少量反射裂縫和Top?Down裂縫，要嚴格控制鋼筋埋置深度處縫隙的寬度。

道路工程；剛性基層瀝青路面；車轍變形；疲勞損傷；剪切疲勞；開裂機理

剛性基層瀝青路面是一種使用性能良好的結構形式，具有整體強度高、使用壽命長、行車舒適性好、維修費用小等優點，從長期使用性能來看，經濟性也較好[1?3]。修筑剛性基層瀝青路面也能減少對石油資源的依賴，并充分利用我國相對豐富的水泥、砂石等材料，促進當地經濟發展。近年來，湖南、江蘇、河北、山西等省在新建高速公路中修筑了剛性基層瀝青路面實體工程和試驗路，湖南省近3 a在高速公路提質改造工程中修筑了約300 km的連續配筋混凝土剛性基層瀝青路面。剛性基層瀝青路面結構復雜且有其自身的特點，目前國內外對其破壞模式的研究較少，且有一定的局限性，如未考慮剛性基層的結構特征，也沒有對實體工程進行針對性的調研，不能全面地反映剛性基層瀝青路面的破壞行為。為此，本文作者針對剛性基層瀝青路面結構的特點，運用損傷力學理論和數值仿真法，并結合對實體工程的觀測結果，研究瀝青層的車轍變形、剪切疲勞破壞、反射裂縫及Top?Down裂縫等破壞行為與機理，以便為剛性基層瀝青路面設計和推廣應用提供理論依據，也可為其他瀝青路面結構的抗裂研究與設計提供理論參考。

1　瀝青層的車轍變形

剛性基層瀝青路面中剛性層是主要承重層，瀝青層為提高路面使用性能的功能層，其溫度場的分布規律與普通混凝土路面和瀝青路面不同[3]。瀝青層的車轍變形主要發生在高溫季節，計算和分析高溫季節在一定溫度場下的車轍深度，可為剛性基層瀝青路面結構層厚度的合理化設計提供參考和依據。

1.1車轍計算理論與模型

路面結構的溫度場為瞬態溫度場，瀝青層的黏彈性受溫度影響較大，尤其是高溫的影響。在路面車轍分析時，需引入路面結構的實際溫度場，并考慮材料特性隨溫度的連續變化，材料模型采用蠕變模型和彈性模型。根據已有研究成果并結合室內試驗的回歸結果[3?4]，對溫度場與瀝青混合料彈性及蠕變參數取值，其中：A，m和n為模型參數，通常A＞0，n＞0，?1＜m≤0，R為相關系數。瀝青混合料彈性及蠕變參數取值如表1所示。

根據交通量調查情況，確定不同時段即各分析步內軸載累積作用次數所占比例，結合已有研究成果的計算方法[3?4]，計算出各分析步內軸載累積作用的時間，也就是分析步時長，導入與分析步對應的溫度場。采用時間硬化蠕變模型模擬連續變溫條件下的車轍變形，對計算結果進行后處理，車轍深度為總變形的計算值減去彈性變形的計算值。

1.2車轍變形的有限元計算

分析在高溫季節下荷載作用次數與車轍變形的關系，計算荷載作用次數為0～2×106次對應的車轍深度，車轍深度與荷載作用次數的關系如圖1所示。

表1　瀝青混合料彈性及蠕變參數Table 1 Parameters of elastic and creep for asphalt mixture

圖1　車轍深度與荷載作用次數的關系Fig. 1 Relationship between rutting depth and load times

由圖1可知：隨著荷載作用次數的不斷增加，剛性基層瀝青路面的車轍深度不斷增加，但增加幅度隨作用次數的增加不斷減小。研究中計算的是高溫季節下的車轍變形，所以車轍深度相對較大。

1.3車轍變形檢測結果分析

本文作者所在課題組結合湖南省交通科技計劃項目“湖南高速公路路面典型結構及技術研究”，在湖南省常吉高速公路修筑了7種典型路面結構的試驗路。通車3 a后，采用T0973—2008[5]對試驗路中4種基層類型有代表性的路面結構進行車轍檢測，檢測數據為最大車轍深度，其中右幅行車道車轍的部分檢測結果如表2所示。

從表2可以看出：剛性基層瀝青路面的車轍深度相對較小，這種優勢與其他路面結構相比體現得更為明顯。本文作者對2003年改建通車的京港澳國家高速公路長潭段(剛性層為連續配筋混凝土) 也進行了長期的跟蹤觀測，該路地處南方炎熱地區且在交通量大、重車多的條件下運行，但檢測結果顯示車轍深度也相對較小。

表2　車轍變形檢測結果Table 2 Measurement result of rutting deformation

2　瀝青層的剪切疲勞破壞

車輛在行駛過程中，由于瀝青層受壓應力和由車輪與路表摩擦產生的面應力，在車輛荷載的反復作用下，路面結構的性能不斷衰減，體現出一定的剪切疲勞損傷演化特性。由于瀝青層與剛性層的模量相差較大，且剛性基層瀝青路面的瀝青層一般較薄，在高溫和荷載的長期作用下，瀝青層的勁度模量和黏聚力不斷減小，瀝青層易因抗剪能力不足而引起剪切疲勞損傷和開裂，需要引起足夠的重視。

2.1剪切疲勞損傷計算理論與方法

瀝青層的疲勞損傷演化呈非線性衰減規律[6?9]。計算中采用CHABOCHE等[10]提出的一維疲勞損傷演化方程，即

式中：σ為應力；D為損傷變量；N為疲勞荷載的重復作用次數；a*，p和q分別為材料的損傷特性參數，根據相關文獻的研究成果[8?9]，a*取7×10?6，p取3.25，q取0。瀝青層的疲勞損傷演化的過程為材料不斷劣化，模量不斷減小，本構關系不斷改變的過程。

根據損傷力學理論和材料的本構關系，運用Fortran語言編制子程序，以代碼的形式擴展有限元主程序的功能，從而實現應力循環、用戶材料子程序(UMAT)調用、損傷演化計算及分析等，有限元分析流程如圖2所示。

圖2　疲勞損傷有限元法分析流程Fig. 2 Analysis flow of fatigue damage using finite element method

剛性基層瀝青路面是在彈性半空間地基上的彈性薄板上加鋪瀝青層的復雜結構，計算中其主要參數取值及基準模型示意同文獻[9]。層間接觸以庫侖摩擦理論為基礎，采用彈性滑動的罰摩擦公式近似處理，ABAQUS自動選擇罰剛度，以有利于路面層間的剪應力松弛，從而減小其應力突變。

2.2剪切疲勞破壞模式與機理

根據上述剪切疲勞損傷計算理論與方法，計算剛性層在有接縫和無接縫2種情況下，瀝青層的剪切疲勞損傷演化規律，計算結果云圖如圖3～4所示。

由圖3可知：在行車荷載的重復剪切作用下，非接縫處瀝青層的剪切疲勞損傷主要出現在瀝青層表面以下1/5厚度左右處，使瀝青層表面可能產生推移和開裂。剛性基層接縫處對應瀝青層的剪切疲勞損傷演化規律與車輛的行駛狀態有關，即與車輪與路面之間的摩擦因數 (也稱水平力系數)有關，車輛正常行駛時水平力系數一般為0.1，緊急制動時為0.5[2]。

由圖4可知：在車輛緊急制動狀態進行仿真模擬時，瀝青層內部先是表面以下1/5厚度左右處出現剪切疲勞損傷，再是接縫處對應的瀝青層底面附近出現疲勞損傷，最終形成貫通整個瀝青層的剪切疲勞開裂。按同樣的方法，對車輛正常行駛狀態進行仿真模擬，結果顯示接縫處的瀝青層底面附近和瀝青層表面以下1/5厚度左右處均會出現剪切疲勞損傷，但在同一時期，接縫處瀝青層底面附近的損傷值略大，即接縫處的瀝青層底面附近會先于瀝青層表面出現剪切疲勞開裂，最終表現為貫通整個瀝青層的剪切疲勞開裂。

高溫季節在道路的長大縱坡、收費站、彎道處等，由于車輛加減速頻繁，輪胎對路面會產生較大的水平力，瀝青層易產生剪切疲勞損傷，出現推移和開裂。由于瀝青層與剛性層的模量相差較大，膨脹收縮時變形協調性差[11]，且剛性基層瀝青路面的瀝青層一般較薄，當貫通瀝青層的開裂出現后，在行車荷載的重復作用下，瀝青層會沿與剛性基層的接觸界面產生層間滑移和開裂[12]。

圖3　瀝青層的剪切疲勞損傷云圖Fig. 3 Contour of shear fatigue damage of asphalt layer

圖4　接縫處瀝青層的剪切疲勞損傷云圖Fig. 4 Contour of shear fatigue damage of asphalt layer at joint

3　瀝青層的開裂行為及特征

當剛性基層瀝青路面瀝青層厚度較薄時，車轍深度相對較小，主要病害為瀝青層開裂，且瀝青層的開裂行為如不能得到控制將影響剛性層的耐久性[13?15]。作者近5 a對湖南省的長潭高速公路、長永高速公路黃花至永安段、常吉高速公路試驗路的剛性基層瀝青路面實體工程進行了跟蹤觀測和鉆芯取樣，結果也表明剛性基層瀝青路面車轍深度相對較小，瀝青層的開裂主要為至上而下的(Top?Down)裂縫、反射裂縫、滑移開裂3大類。

3.1瀝青層反射裂縫的形成機理

根據上述損傷力學理論與計算方法，運用有限元軟件及其2次開發平臺進行仿真計算，研究重復荷載作用下，剛性基層接縫處瀝青層的損傷開裂機理，計算結果云圖如圖5所示。

由圖5可見：在荷載的反復作用下，荷載作用一側的瀝青層底面在接縫附近會受到拉應力，從而產生疲勞損傷。損傷開裂后，裂縫尖端在荷載和溫度的反復作用下，從瀝青層底向上擴展，最終形成反射裂縫，且剛性基層瀝青路面的瀝青層厚度一般較薄，反射裂縫更易形成，建議在接縫處采取一定的抗裂措施，如設置加筋層、應力吸收層、抗裂鋪裝夾層等。

2011年5月本文作者對湖南省常吉高速公路主線的試驗段和茶庵鋪互通連接線(橫縫設傳力桿的普通混凝土基層瀝青路面)進行了觀測，并在連接線的裂縫處鉆芯取樣，如圖6所示。

從圖6可知：裂縫主要為混凝土基層接縫引起的反射裂縫，觀測時在主線試驗段剛性基層瀝青路面(剛性層為連續配筋混凝土板)并未發現裂縫，產生這一現象的主要原因是橫縫設傳力桿的普通混凝土板與連續配筋混凝土板相比存在一定的缺陷，接縫縫隙的寬度較大，且傳荷能力有限。此外，瀝青層較薄也是造成反射裂縫較早出現的原因之一，原設計為6 cm，實測芯樣時僅為5 cm。

3.2瀝青層的Top?Down裂縫

對實體工程的跟蹤觀測中發現：部分瀝青層的橫向裂縫僅從表面向下延伸2 cm左右，為Top?Down裂縫。縱向裂縫主要集中在行車道輪跡帶附近，從芯樣來看，大多縱向裂縫沒有貫通瀝青層，也主要為Top?Down疲勞開裂。因瀝青層開裂后都進行了灌縫處理，芯樣中的裂縫寬度較小。Top?Down開裂是瀝青路面多種病害的誘因與條件，嚴重的Top?Down開裂還會形成網裂，使瀝青層出現松散、剝落、坑槽等病害，嚴重影響路面的行駛質量和行車安全[16]。

對于剛性基層瀝青路面這種特殊結構，Top?Down開裂會導致瀝青層整體性和連續性受到破壞，擴散荷載的能力降低，且剛性基層瀝青路面的瀝青層較薄，Top?Down裂縫更易貫穿整個瀝青層，使雨水進入路面結構內部，影響剛性混凝土層的耐久性。剛性基層瀝青路面作為耐久性路面結構，如不能掌握瀝青層的Top?Down開裂機理并采取有效的控制方法，將使這種前期投資成本較高的路面結構出現早期病害，增加養護費用，造成投資浪費并產生不良的社會影響。

3.3連續配筋混凝土(CRC)板上瀝青層的開裂行為

CRC板由于縱向連續配置鋼筋，允許產生橫向隨機裂縫，并通過合理的縱向配筋率來控制橫向裂縫間距和縫隙寬度，是一種剛性層不設接縫的路面結構，瀝青層的裂縫相對較少，主要為少量的橫向裂縫和行車道上輪跡帶附近的縱向Top?Down裂縫。

本文作者所在課題組對京港澳國家高速公路長潭段的裂縫情況進行了長期跟蹤觀測，并在橫向裂縫處進行了鉆芯取樣，如圖7所示。從圖7可知：部分橫向裂縫是由CRC板橫向裂縫引起的反射裂縫，現行規范要求鋼筋埋置深度處縫隙平均寬度≤0.5 mm，而從芯樣觀察可知，鋼筋埋置深度處縫隙寬度遠大于這一控制值，一般約為5 mm，造成這一現象的主要原因是對水泥混凝土的施工質量控制不夠，所以要嚴格控制縱向配筋率與水泥混凝土的水灰質量比及坍落度，以保證CRC板橫向裂縫的縫隙寬度滿足規范要求，只有這樣才能充分發揮CRC板的優勢。

圖7　橫向裂縫處芯樣情況Fig. 7 Core sample from transverse crack

4　結論

1) 剛性基層瀝青路面的車轍深度隨荷載作用次數的增加而增加，但遞增幅度隨作用次數的增加不斷減小；與其他路面結構的車轍深度相比，剛性基層瀝青路面的車轍深度相對較小。

2) 在行車荷載的重復剪切作用下，瀝青層表面以下1/5厚度左右處會產生損傷開裂，接縫處的瀝青層底面附近也易出現損傷開裂，從而導致貫通整個瀝青層的剪切疲勞開裂。

3) 在荷載反復作用下，在接縫附近的瀝青層底面會出現損傷開裂并最終形成反射裂縫，因剛性基層瀝青路面的瀝青層厚度一般較薄，反射裂縫更易形成，建議瀝青層的厚度不宜太薄并應在接縫處采取一定的抗裂措施。

4) 瀝青層的縱向裂縫主要集中在行車道輪跡帶附近，大多沒有貫通瀝青層，部分橫向裂縫也僅從表面向下延伸2 cm左右，這些裂縫均為Top?Down裂縫。

5) 連續配筋混凝土板上瀝青層的裂縫較少，但也有一定的反射裂縫和Top?Down裂縫，要嚴格控制鋼筋埋置深度處縫隙的寬度。

[1] 黃仰賢. 路面分析與設計[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998: 457?458. HUANG Yangxian. Pavement analysis and design[M]. Beijing: China Communications Press, 1998: 457?458.

[2] 胡長順, 王秉綱. 復合式路面設計原理與施工技術[M]. 北京:人民交通出版社, 1999: 1?3. HU Changshun, WANG Binggang. Design principle and construction technology of composite pavements[M]. Beijing: China Communications Press, 1999: 1?3.

[3] 李盛, 劉朝暉, 李宇峙. CRC+AC復合式路面結構層厚度對溫度效應及車轍變形的影響[J]. 中國公路學報, 2012, 25(1): 21?28. LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi. Influence of structure layer thickness of CRC+AC composite pavement on temperature effect and rutting deformation[J]. China Journal of Highway and Transport, 2012, 25(1): 21?28.

[4] 廖公云, 黃曉明. ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用[M]. 南京: 東南大學出版社, 2008: 153?160. LIAO Gongyun, HUANG Xiaoming. Application of ABAQUS finite element software in highway engineering[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2008: 153?160.

[5] JTG E60—2008, 公路路基路面現場測試規程[S]. JTG E60—2008, Field test methods of subgrade and pavement for highway engineering[S].

[6] 吳曠懷, 張肖寧. 瀝青混合料疲勞損傷非線性演化統一模型試驗研究[J]. 公路, 2009(5): 125?129. WU Kuanghuai, ZHANG Xiaoning. Experimental research on uniform model for nonlinear evolution equation of fatigue damage of asphalt mixture[J]. Highway, 2009(5): 125?129.

[7] 鄭健龍, 呂松濤. 瀝青混合料非線性疲勞損傷模型[J]. 中國公路學報, 2009, 22(5): 21?28. ZHENG Jianlong, Lü Songtao. Nonlinear fatigue damage model for asphalt mixtures[J]. China Journal of Highway and Transport, 2009, 22(5): 21?28.

[8] 周志剛. 交通荷載下瀝青類路面疲勞損傷開裂研究[D]. 長沙:中南大學土木建筑學院, 2003: 102?103. ZHOU Zhigang. A research on the fatigue damage cracking in asphalt pavement under traffic load[D]. Changsha: Central South University. School of Civil and Architectural Engineering, 2003: 102?103.

[9] 李盛, 劉朝暉, 李宇峙. 剛柔復合式路面瀝青層荷載疲勞損傷特性及開裂機理[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(9): 3857?3862. LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi. Fatigue damage characteristics and cracking mechanism of asphalt concrete layer of rigid-flexible composite pavement under load[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(9): 3857?3862.

[10] 張行. 斷裂與損傷力學[M]. 北京: 北京航天航空大學出版社, 2006: 405?434. ZHANG Xing. Fracture and damage mechanics[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2006: 405?434.

[11] 李盛, 劉朝暉, 李宇峙. 連續配筋混凝土復合式瀝青路面層間剪應力及結構[J]. 公路交通科技, 2012, 29(8): 8?14. LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi. Interlaminar shear stress and structure of continuously reinforced concrete composite asphalt pavement[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(8): 8?14.

[12] LI Sheng, LIU Xingwu, LIU Zhaohui. Interlaminar shear fatigue and damage characteristics of asphalt layer for asphalt overlay on rigid pavement[J]. Construction and Building Materials, 2014, 68: 341?347.

[13] LI Sheng, LIU Zhaohui. Study on crack extension of the AC layer of CRC+AC composite pavement[J]. Mechanika, 2012, 18(2): 141?147.

[14] MUN S, LEE S. Determination of the fatigue-cracking resistance of asphalt concrete mixtures at low temperatures[J]. Cold Regions Science and Technology, 2010, 61(2/3): 116?124.

[15] CEYLAN H, GOPALAKRISHNAN K, LYTTON R L. Neural networks modeling of stress growth in asphalt overlays due to load and thermal effects during reflection cracking[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2011, 23(3): 221?229.

[16] MIAO Y, HE T G, YANG Q, et al. Multi-domain hybrid boundary node method for evaluating Top?Down crack in asphalt pavements[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2010, 34(9): 755?760.

(編輯 劉錦偉)

Damage behavior and mechanism of asphalt layer of rigid base asphalt pavement

LI Sheng, CHEN Shangwu, LIU Zhaohui, LI Yuzhi
(State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Based on the structure characteristics and the deficiencies of the existing studies of rigid base asphalt pavement, the theories of damage mechanics and simulation method were used to analyze the damage behavior and mechanism of the rigid base asphalt pavement, and the entity engineerings were observed and analyzed. The results show that the rutting deformation of rigid base asphalt pavement increases with the increase of load times, but the increase amplitude decreases continuously, and the rutting deformation is smaller than that of other structure. The asphalt layer of which is below the surface about 1/5 thickness and the bottom surface at the joint are prone to shear fatigue damage. It is recommended that the thickness of asphalt layer should not be too thin and should take certain anti-crack measures at the joints. Longitudinal cracks of asphalt layer are mainly nearby the wheel track of traffic lane, some transverse cracks also extend only from the surface down about 2 cm, and these cracks are Top?Down cracks. There are small amounts of reflection cracks and Top?Down cracks in the asphalt layer overlay on continuously reinforced concrete slab, and the crack width at the embedment depth of steel should be controlled strictly.

road engineering; rigid base asphalt pavement; rutting deformation; fatigue damage; shear fatigue; cracking mechanism

U416.224；U416.01

A

1672?7207(2016)03?1065?06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.046

2015?03?08；

2015?05?09

湖南省自然科學基金資助項目(14JJ7041)；湖南省教育廳科學研究項目(14B001)；公路養護技術國家工程實驗室開放基金資助項目(kfj150102) (Project(14JJ7041) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(14B001) supported by the Educational Commission of Hunan Province; Project(kfj150102) supported by the Open Fund of State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology)

李盛，博士，副教授，從事道路工程研究；E-mail: lishengttt@163.com