加鋪瀝青層路面縱縫在不同動(dòng)荷載作用下的變化研究

張小榮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸尤其是公路事業(yè)的快速發(fā)展，公路改建工程逐漸成為公路建設(shè)的重要部分。其中，在舊水泥混凝土路面面層上加鋪瀝青層為主要的路面改建形式[1]。

楊亦丁[2]通過(guò)實(shí)際路面改建工程對(duì)加鋪層路面破損的原因進(jìn)行了分析，并從舊路調(diào)查評(píng)價(jià)、加鋪方法選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)方面展開相關(guān)分析。劉亞峰[3]從路面材料質(zhì)量與改建施工工藝等方面對(duì)舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層進(jìn)行質(zhì)量控制，并對(duì)改建完成后的路面使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。呂惠卿等[4]利用ABAQUS有限元軟件對(duì)舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層進(jìn)行三維建模計(jì)算，分析了改建路面在溫度和車輛荷載耦合作用下的應(yīng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加路面調(diào)平層的厚度可以有效地防止反射裂縫的增加。劉柏康等[5]對(duì)瀝青加鋪層的材料類型、荷載加載頻率、荷載位置及裂縫的寬度等因素對(duì)改建后的瀝青加鋪路面抗反射裂縫性能的影響進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)在荷載加載頻率不小于10 Hz、偏載加載、裂縫寬度較小，以及采用SBS改性瀝青混合料時(shí)， 加鋪改建完成后的路面抗反射裂縫能力越強(qiáng)。

1 路面裂縫擴(kuò)展力學(xué)理論

產(chǎn)生裂縫的影響因素包括既有裂縫的形式、路面結(jié)構(gòu)，以及所受荷載的大小與形式。通常裂縫有3種主要形式，分別為：張開型裂縫(I型裂縫)、滑開型裂縫(II型裂縫)、撕開型裂縫(III型裂縫)3種[7]。對(duì)于張開型裂縫，其是在正應(yīng)力作用下裂縫尖端處左、右2個(gè)裂縫面張開而產(chǎn)生，該類型裂縫也是路面在實(shí)際荷載作用下所產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展的主要形式。

荷載作用下裂縫出現(xiàn)擴(kuò)展的條件是荷載所施加至裂縫的能量應(yīng)滿足裂紋擴(kuò)展時(shí)所需要消耗表面能和塑性變形能量，即

G≥2Γ+Up

(1)

式中：2Γ為單位面積裂縫擴(kuò)展所需要的表面能，kJ；Up為裂縫擴(kuò)展時(shí)所消耗的塑性形變能，kJ。

對(duì)于張開型裂縫，其裂縫尖端在荷載作用下的應(yīng)力場(chǎng)分布[8]如式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

在共建這一年多來(lái)，作為西江廣東段的“西大門”，肇慶市政府積極作為，發(fā)動(dòng)了全市各方力量積極參與，各相關(guān)涉水部門全方位、多角度、立體化配合，為肇慶這一江水域的安全生產(chǎn)繃緊弦、卯足勁、動(dòng)真格，反響熱烈，效果顯著。

(4)

式中：K1為張開型裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子；r和θ定義見圖1：σx、σz、τxz分別為x、z方向的正應(yīng)力和x、z平面的剪切應(yīng)力，MPa。r和θ為極坐標(biāo)。圖1反映了平面應(yīng)變條件下，距離裂縫尖端處一點(diǎn)的材料應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 裂縫尖端應(yīng)力示意圖

通過(guò)裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的表達(dá)式可以看出，荷載作用下裂縫尖端處(r=0)的應(yīng)力趨于無(wú)限大，即裂縫尖端處應(yīng)力場(chǎng)具有奇異性。裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子K1越大，荷載作用下裂縫尖端處的應(yīng)力越快趨近無(wú)限大，裂縫越容易發(fā)生擴(kuò)展。因此，可以將應(yīng)力強(qiáng)度因子作為衡量裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)大小的參數(shù)，研究不同荷載作用下路面裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

對(duì)于張開型裂縫，令θ=180°，可以得到利用裂縫面位移表示的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法見式(5)。

(5)

式中：μ為泊松比；v(t)為裂縫面位移；E為裂縫發(fā)生位置材料的彈性模量。

2 路面裂縫擴(kuò)展規(guī)律有限元計(jì)算

2.1 有限元模型的建立

為了研究不同荷載條件下加鋪瀝青混合料路面基層底部裂縫的擴(kuò)展機(jī)理，利用ABAQUS有限元軟件建立具有預(yù)先設(shè)置有裂縫的路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，并在路面面層分別施加標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載和振動(dòng)壓路機(jī)荷載，計(jì)算并分析路面裂縫尖端現(xiàn)象。

路面結(jié)構(gòu)采用舊水泥混凝土路面加鋪雙層瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，路面長(zhǎng)度6 m、寬度6 m、深度3 m。各結(jié)構(gòu)層厚度及材料參數(shù)見表1。建立路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型見圖2。路面結(jié)構(gòu)采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分(MESH)，在荷載加載位置提升網(wǎng)格密度。

表1 路面結(jié)構(gòu)層材料及參數(shù)

圖2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型

2.2 層底裂縫的施加

在路面建模完成后，需要在路面結(jié)構(gòu)中水泥混凝土層底進(jìn)行剖分以創(chuàng)建初始三維裂縫，結(jié)合ABAQUS CAE生成裂縫網(wǎng)格，水泥混凝土層底裂縫剖分及裂縫尖端的選取見圖3。裂縫長(zhǎng)度設(shè)置為3 cm，取裂縫上部為裂縫尖端區(qū)域。

圖3 水泥混凝土層底裂縫剖分及裂縫尖端的選取

2.3 動(dòng)力荷載的實(shí)現(xiàn)

路面在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中所受到的壓路機(jī)荷載和車輛荷載均為不同形式的移動(dòng)荷載。公路汽車荷載通常利用胎壓作為輪胎與路面的接觸壓力；雙光輪振動(dòng)壓路機(jī)在工作過(guò)程中通常采用前輪振動(dòng)的方式，振動(dòng)輪對(duì)路面作用力大小可依據(jù)文獻(xiàn)[9]所提出的式(6)進(jìn)行計(jì)算。

(6)

式中：G為振動(dòng)輪重，取60 kN；F為激振力，取106 kN；ω為壓路機(jī)圓頻率，取421 rad/s；D為振動(dòng)輪直徑，取1.2 m；L為振動(dòng)輪寬，取2.24 m；t為振動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s。

為了實(shí)現(xiàn)荷載在路面結(jié)構(gòu)上的移動(dòng)，利用Fortran語(yǔ)言編寫VDLOAD用戶子程序，并依據(jù)不同的荷載形式編寫相應(yīng)的動(dòng)力荷載表達(dá)式，完成標(biāo)準(zhǔn)軸載與壓路機(jī)振動(dòng)荷載的施加。

將標(biāo)準(zhǔn)軸載移動(dòng)速度設(shè)置為108 km/h，振動(dòng)壓路機(jī)移動(dòng)速度為4.5 km/h。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將2種荷載在路面上移動(dòng)距離設(shè)置為3 m。

3 不同荷載形式下裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

通過(guò)計(jì)算，可以得到路面結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。不同位置處在移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)軸載及振動(dòng)壓路機(jī)荷載下的路面橫向位移云圖見圖4。

圖4 不同位置處2種荷載作用下路面橫向位移

由圖4可見，不同時(shí)刻荷載作用范圍以外的路面區(qū)域發(fā)生整體橫向位移，而荷載作用范圍區(qū)域內(nèi)的橫向位移較小。這是由于荷載垂直作用于路面結(jié)構(gòu)，荷載作用下的路面主要發(fā)生豎向變形，橫向變形較小，而荷載作用區(qū)域路面材料的壓縮對(duì)荷載范圍外的路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓作用，從而使得兩側(cè)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向位移。相比于標(biāo)準(zhǔn)軸載，壓路機(jī)的振動(dòng)效應(yīng)更為明顯，導(dǎo)致路面壓縮變形更大，從而使得壓路機(jī)作用下路面兩側(cè)產(chǎn)生更大橫向的位移值。

通過(guò)路面張開型裂縫的特點(diǎn)及式(5)可以看出，該類型裂縫產(chǎn)生主要取決于尖端兩側(cè)的橫向位移。因此利用有限元結(jié)果中荷載移動(dòng)過(guò)程裂縫尖端處的橫向位移結(jié)合式(5)計(jì)算得到荷載移動(dòng)至各個(gè)位置的應(yīng)力強(qiáng)度因子，不同荷載作用下裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)比見圖5。

圖5 不同荷載作用下裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)比

由圖5可見，在2種荷載作用下，水泥混凝土層底裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值均為5.88×10-3MPa·mm1/2，說(shuō)明雖然振動(dòng)壓路機(jī)荷載相比于標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)路面結(jié)構(gòu)有更大的作用力，但是兩者在行駛至路面裂縫正上方時(shí)裂縫尖端產(chǎn)生的應(yīng)力大小相同，即：在水泥混凝土基層底有裂縫存在的條件下，施工荷載相比于車輛荷載并不會(huì)增加裂縫擴(kuò)展的概率。同時(shí)可以注意到，裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子在振動(dòng)荷載移動(dòng)的初始階段明顯大于車輛標(biāo)準(zhǔn)軸載，這是因?yàn)檎駝?dòng)壓路機(jī)迅速變化的激振力使得在加載初期路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為明顯的振動(dòng)，導(dǎo)致裂縫兩側(cè)突然出現(xiàn)較大的橫向位移。因此在施工過(guò)程中，振動(dòng)壓路機(jī)啟動(dòng)時(shí)盡量遠(yuǎn)離舊水泥混凝土面板縱縫處，防止壓路機(jī)突然且劇烈的振動(dòng)導(dǎo)致水泥混凝土板層可能存在的底裂縫發(fā)生擴(kuò)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)底路面結(jié)構(gòu)常見的裂縫及形成機(jī)理進(jìn)行分析，并利用ABAQUS有限元軟件針對(duì)舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層過(guò)程中水泥混凝土板底可能存在的裂縫在施工及開放交通后的2種典型荷載作用下擴(kuò)展的概率進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

1) 由于舊水泥混凝土路面真縫深度較深，導(dǎo)致加鋪施工前接縫填補(bǔ)不到位，使得改建完成后的路面存在反射裂縫的隱患。

2) 利用ABAQUS有限元軟件，模擬實(shí)現(xiàn)振動(dòng)壓路機(jī)移動(dòng)荷載與車輛標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)軸載。計(jì)算表明，振動(dòng)壓路機(jī)的高頻振動(dòng)作用使得其作用下的路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多的壓縮變形，從而使得作用范圍外路面兩側(cè)相比標(biāo)準(zhǔn)軸載產(chǎn)生更大的橫向位移。

3) 當(dāng)2種荷載行駛至裂縫尖端正上方時(shí)，所產(chǎn)生的尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子大小相同，表明相比于標(biāo)準(zhǔn)軸載來(lái)講振動(dòng)壓路機(jī)荷載并不會(huì)增加層底裂縫擴(kuò)展的概率。

4) 振動(dòng)壓路機(jī)荷載在加載初期會(huì)較為明顯地提高裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，因此在施工時(shí)需要注意不要在裂縫處啟動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，以減小初期裂縫的開展。

5) 在原有開裂(含接縫)混凝土板和瀝青面層之間加鋪一層彈性模量較低、變形率較大的應(yīng)力吸收層可有效地吸收和緩沖裂縫尖端剪應(yīng)力的集中(奇異性)，具有較好的防止反射裂縫擴(kuò)展的效果。