瀝青路面典型裂紋的開(kāi)裂擴(kuò)展特性研究

王敏

（如皋市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 如皋226500）

1 引言

隨著我國(guó)市政建設(shè)進(jìn)程的加快，道路建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)水平也在穩(wěn)步提高，目前，我國(guó)在道路結(jié)構(gòu)及受力研究、道路新材料研究、新型道路路面結(jié)構(gòu)及應(yīng)用性能方面均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在所建市政道路當(dāng)中，瀝青路面結(jié)構(gòu)占比達(dá)到90%以上，瀝青路面屬于柔性路面，在發(fā)揮自身性能優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，依然出現(xiàn)了多種類(lèi)型的病害，尤其是路面開(kāi)裂等，給瀝青路面結(jié)構(gòu)的耐久性造成了較大影響。路面開(kāi)裂之后不僅影響路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還會(huì)引發(fā)其他的病害，最終導(dǎo)致路面的破壞。我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒(méi)有考慮到路面結(jié)構(gòu)中潛在的裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，但在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于裂紋導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展的影響因素及危害等問(wèn)題都會(huì)影響到瀝青路面的正常使用，因此，本文將結(jié)合瀝青路面的典型結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青路面典型裂紋的開(kāi)裂擴(kuò)展特性進(jìn)行研究，通過(guò)了解裂紋擴(kuò)展的特性，促進(jìn)瀝青路面設(shè)計(jì)水平及病害預(yù)防水平的提高。

2 瀝青路面典型裂紋類(lèi)型

根據(jù)裂紋的擴(kuò)展形式，可以分為如圖1所示的3種類(lèi)型，對(duì)于張開(kāi)型裂紋，應(yīng)力與裂紋面垂直，兩側(cè)應(yīng)力方向相反，當(dāng)拉應(yīng)力大于材料的約束時(shí)就會(huì)產(chǎn)生張開(kāi)型裂紋，這種裂紋在溫度應(yīng)力或者荷載應(yīng)力作用下會(huì)不斷擴(kuò)展開(kāi)裂?；菩土鸭y的裂紋面與應(yīng)力平行，相互作用的一對(duì)應(yīng)力方向相反，形成剪應(yīng)力作用，當(dāng)路面材料受到不均勻荷載作用時(shí)極易產(chǎn)生剪應(yīng)力作用，導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展，也稱之為剪切型裂紋。撕開(kāi)型裂紋與剪切型類(lèi)似，只是剪應(yīng)力作用面不同，在實(shí)際工程中此類(lèi)情形較少，在汽車(chē)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中容易產(chǎn)生撕開(kāi)型的裂紋。此外，由于裂紋的產(chǎn)生一般是多種因素的共同作用，因而裂紋類(lèi)型也可能是共同存在的，從而形成組合式裂紋【1】。

圖1 裂紋的分類(lèi)

3 表面裂紋擴(kuò)展特性研究

根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)層典型裂紋的形成機(jī)理，存在于表面的裂紋大多是由溫度及荷載引起的，因此，本研究主要從溫度場(chǎng)和荷載場(chǎng)角度研究表面典型裂紋的擴(kuò)展特性。瀝青面層在低溫條件下，收縮變形作用給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的摩阻力會(huì)使面層內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，而低溫條件下混合料模量的增大更會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力進(jìn)一步變大，因而在結(jié)構(gòu)層表面形成較多的溫縮裂紋，裂紋大多呈現(xiàn)橫向分布。為研究表面裂紋在實(shí)際條件下的擴(kuò)展情況，根據(jù)形成的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的溫度，從而進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。模型采用半剛性基層，結(jié)構(gòu)層采用4cm AC-13瀝青面層、5cm AC-20瀝青層、22.5cm水泥穩(wěn)定碎石基層及22.5水泥穩(wěn)定碎石底基層，土基深度6m，如圖2所示，根據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果在結(jié)構(gòu)表面層設(shè)置1條橫向貫穿路面的表面溫縮裂紋，裂紋深度為1.5cm。

圖2 路面模型示意圖

根據(jù)廖公云等【2】的研究中關(guān)于瀝青結(jié)構(gòu)車(chē)轍及溫度場(chǎng)分析的方法，在利用ABAQUS進(jìn)行建模中，瀝青混凝土層采用黏彈性本構(gòu)模擬，其他層采用線彈性本構(gòu)模擬，各層連續(xù)、層間完全黏結(jié)，輻射面為結(jié)構(gòu)層表面且熱流傳遞沿豎向一維傳熱，溫度應(yīng)力假設(shè)四周法向約束、底部完全約束。根據(jù)獲取的氣象參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)材料的熱物性參數(shù)、瀝青路面材料的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)行路面溫度場(chǎng)計(jì)算【3】。如圖3所示，為低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)在1d內(nèi)溫度場(chǎng)的變化情況，為分析豎向溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力變化，沿縱向提取不同時(shí)間段內(nèi)的溫度值，提取深度為路表面、道路1.5cm深度、道路3cm深度、道路4cm深度，通過(guò)對(duì)比溫度差值，可以看出隨著路面結(jié)構(gòu)層深度的增加，溫度變化幅度越來(lái)越小，在路表面1d的周期內(nèi)最高可相差10℃，在4cm深度下最高只相差7℃，而且從1d的的豎向溫度差中可以看出在下午2h左右溫度梯度達(dá)到最大值，表明此時(shí)在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部產(chǎn)生的溫度翹曲應(yīng)力最大，路表裂紋正好處于溫度應(yīng)力較大的瀝青表面層，因而開(kāi)裂作用更加明顯。

圖3 瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力時(shí)，上部材料結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力要大于下部結(jié)構(gòu)，因此，上部結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生應(yīng)力變化的同時(shí)會(huì)受到下部結(jié)構(gòu)的約束力，這將促使上部瀝青面層結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致路表裂紋的擴(kuò)張。根據(jù)上述運(yùn)算結(jié)果和各層材料參數(shù)及線膨脹系數(shù)，利用Static General和Visco分析步，進(jìn)行表面裂紋開(kāi)裂擴(kuò)展分析，裂紋的計(jì)算截面取為行車(chē)荷載的外輪印中心A截面，如圖4所示。通過(guò)提取A斷面的應(yīng)力云圖，如圖5所示，可以看出，溫縮裂紋最為顯著的開(kāi)裂擴(kuò)展方式為Ⅰ型張開(kāi)式，而裂紋A斷面處表征Ⅱ型、Ⅲ型開(kāi)裂程度的2種剪應(yīng)力都較小，這是由于Ⅱ型剪切型開(kāi)裂與Ⅲ型撕開(kāi)型開(kāi)裂與溫度荷載的單向性幾乎不會(huì)發(fā)生變化【4】。此外，由云圖可得到，從下午6h到早上6h，路表裂紋在溫度變化中一直處于張開(kāi)的狀態(tài)，當(dāng)溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力增大時(shí)，開(kāi)裂程度也增大，裂紋尖端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯；在白天溫度升高時(shí)，裂紋處于壓縮狀態(tài)，裂紋尖端處的應(yīng)力在拉壓之間周期性變化，其應(yīng)力強(qiáng)度因子K隨時(shí)間變化形式如圖6所示，在尖端處的最大應(yīng)力可以達(dá)到3.0MPa，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)輪載的接地壓力，表明溫度荷載對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響可能不小于汽車(chē)荷載。

圖4 瀝青路面裂紋計(jì)算截面

圖5 部分時(shí)刻A斷面應(yīng)力云圖

圖6 應(yīng)力強(qiáng)度因子K值

瀝青面層結(jié)構(gòu)除了受到溫度應(yīng)力外，荷載作用產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)對(duì)裂紋的擴(kuò)展影響巨大。為研究單一變量對(duì)裂紋擴(kuò)展的作用，本模型中選擇溫度場(chǎng)中路表最高溫度時(shí)，即上述研究中對(duì)應(yīng)下午2h的情形。如圖7所示，在進(jìn)行荷載布置時(shí)，將當(dāng)量圓簡(jiǎn)化為矩形，接地壓力為0.7MPa【5】，荷載的移動(dòng)速度為72km/h。由于模型中裂紋位置布置的關(guān)系，裂紋在橫向上幾乎沒(méi)有剪應(yīng)力的響應(yīng)，因此極小可能產(chǎn)生Ⅲ型開(kāi)裂擴(kuò)展，而Ⅰ型和Ⅱ型的應(yīng)力強(qiáng)度因子在特性溫度場(chǎng)下的曲線如圖8所示。可以看出左側(cè)的K值一直處于負(fù)值，且左右基本呈對(duì)稱分布；右側(cè)曲線先是達(dá)到了正的最大值，然后迅速變?yōu)樨?fù)的最大值，突變現(xiàn)象較為明顯，前面后面基本趨向于0。這充分說(shuō)明，在移動(dòng)荷載作用下，表面裂紋基本不會(huì)產(chǎn)生Ⅰ型張開(kāi)式的擴(kuò)展，主要為Ⅱ型剪切型開(kāi)裂，且方向會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)對(duì)比強(qiáng)度因子可以看出，溫度荷載對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響遠(yuǎn)大于荷載的作用。

圖7 輪載轉(zhuǎn)換及分布圖

圖8 Ⅰ型和Ⅱ型強(qiáng)度因子K的變化曲線圖

4 面層貫穿裂紋與基層反射裂紋擴(kuò)展特性研究

瀝青路面在使用過(guò)程中比較容易在面層形成縱向的貫穿裂紋，在半剛性基層中形成反射裂紋，目前研究中對(duì)于單獨(dú)的貫穿裂紋和反射裂紋已較為成熟，本節(jié)著重研究2種裂紋并存條件下裂紋的擴(kuò)展特性。建模方法與荷載布置同上述類(lèi)似，在面層縱向設(shè)置1條3m長(zhǎng)的貫穿裂紋，基層設(shè)置橫向貫穿面層的反射裂紋Top-Down裂紋深度記為C1，反射裂紋深度則記為C2，而面層Top-Down裂紋縱向中斷面與反射裂紋之間的距離記為D，具體示意圖如圖9所示，橫向反射裂紋位于縱向貫穿裂紋的正下方，表面縱向貫穿裂紋根據(jù)最不利原則選取的6個(gè)點(diǎn)位如圖9b所示，每個(gè)點(diǎn)間距0.3m。

圖9 計(jì)算模型示意圖

在模型計(jì)算中只需要計(jì)算上述6個(gè)截面在荷載作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子即可，從而分析裂紋的開(kāi)裂擴(kuò)展類(lèi)型及擴(kuò)展作用。在進(jìn)行裂紋間距D的影響分析時(shí)，改變D的大小為0mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm。對(duì)于基層反射裂紋。橫線分布的基層反射裂紋在荷載條件下沒(méi)有橫向剪切作用，主要體現(xiàn)為Ⅰ型和Ⅱ型的復(fù)合作用，將強(qiáng)度因子Ⅰ和Ⅱ的運(yùn)算結(jié)果繪制曲線如圖10所示，可以看出Ⅰ型是先增大后減小的，基本位于0線上方，當(dāng)輪載在正上方時(shí)達(dá)到最大值，可見(jiàn)裂紋此時(shí)產(chǎn)生的是張開(kāi)式擴(kuò)展；Ⅱ型變化較大，從0逐漸增大到正極值，然后迅速減小至負(fù)極值，最終慢慢趨于平緩，剪切方向發(fā)生了變化。對(duì)比2個(gè)結(jié)果，此時(shí)2種擴(kuò)展作用程度接近，間距D對(duì)基層反射裂紋影響較小。

同樣，對(duì)于面層的貫穿裂紋進(jìn)行分析中，Ⅰ型張開(kāi)式擴(kuò)展作用基本沒(méi)有，Ⅱ型剪切式在中點(diǎn)處達(dá)到最大值，Ⅲ型撕裂式從正值慢慢減小到負(fù)峰值，在時(shí)程中段突然增長(zhǎng)至正值，之后又減小到負(fù)值，在過(guò)程中方向交替變化。間距D對(duì)面層貫穿裂紋影響較小，主要以Ⅱ型剪切式為主。

5 結(jié)語(yǔ)

瀝青路面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展作用與應(yīng)力作用密切相關(guān)，本文利用應(yīng)力強(qiáng)度因子作為主要標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)建模計(jì)算路面不同點(diǎn)位在不同溫度場(chǎng)、荷載場(chǎng)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子，結(jié)果表明對(duì)于表面裂紋主要為張開(kāi)型擴(kuò)展作用，有荷載作用下主要體現(xiàn)為剪切型擴(kuò)展，并且溫度應(yīng)力的作用要大于荷載的應(yīng)力作用；對(duì)于面層貫穿裂紋與基層反射裂紋的復(fù)合作用下，裂紋間距對(duì)擴(kuò)展影響較小，反射裂紋引起裂紋張開(kāi)和剪切型擴(kuò)展，面層的貫穿裂紋引起剪切式擴(kuò)展。

圖10 不同間距D下的強(qiáng)度因子K變化曲線圖