淺析半剛性基層瀝青混凝土路面裂縫的形成機理

（陜西省交通規劃設計研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

我國瀝青路面的主要結構形式為半剛性基層瀝青路面，而半剛性基層瀝青路面的開裂是現階段主要的養護難題。通常在半剛性基層路面結構中，新建路面在通車3-5年后即會發生開裂0，根據交通部對我國公路的抽檢調查數據[2]顯示，路面裂縫是我國公路最主要的病害形式。如果不能及時、準確的修補裂縫，開裂路面會在環境作用下產生結構性破壞，直接導致路面壽命的縮短。因此，本文通過對半剛性基層瀝青路面的開裂機理進行總結分析，以期對裂縫的防治提供思路。

半剛性基層路面的結構通常為無機結合料層和瀝青面層組成，半剛性基層由于其較強的剛度和低廉的價格被我國廣泛采用，而瀝青面層屬于柔性層，由于其良好的行車舒適性，使其逐漸成為了我國的主要面層結構。瀝青層與半剛性基層間材料性質存在著巨大的差異，因此裂縫的形成與擴散有著多種形式。按照裂縫的形成原因，可以將路面裂縫分為荷載型裂縫（Load-Type crack）與非荷載型裂縫（Non-load type crack），當路面上重型車輛過多導致路面結構無法承受行車荷載時，路面會發生荷載型開裂，這時形成的裂縫即荷載型裂縫（圖1所示），主要內在原因出在路面結構設計不合理，路用材料不合格或者施工質量問題，外在原因是路面老化或者超載。非荷載型裂縫主要是由溫度變化引起的溫縮裂縫、溫度疲勞裂縫以及基層反射傳遞上來的反射裂縫組成（圖2所示）。因此，本文分別對荷載型裂縫與溫度型裂縫的開裂機理進行分析總結。

圖1 Top-Down 荷載型疲勞裂縫示意圖

圖2 Bottom-Up 非荷載裂縫示意圖

1 荷載作用下瀝青路面開裂機理

本文路面力學響應計算通過Abaqus 計算軟件完成，計算假定路面各結構層為均勻、連續的各向同性線彈性體；路面結構層間完全連續，裂縫寬度w=3mm，裂縫形式為上面層貫通縫；接觸分為一般接觸（切向摩擦接觸、法向硬接觸）和完全連續（tie）兩種情況。邊界設置為路表自由，路面其余方向法向約束，土基底部固定。路面結構尺寸采用常見的4cm、6cm、8cm 厚度，基層采用5%水穩基層、底基層采用3%水穩底基層，厚度分別為24cm 和28cm，土基厚度和水平方向均取10m，材料參數見表1。

表1 材料參數

1.1 不同荷載作用位置界面受力特性

根據靜載作用位置的不同，載荷工況可分為居中荷載（圖3）和單側偏載（圖4）。計算時裂縫寬度取w=3mm。不同布載情況下的剪應力云圖如圖5、圖6所示。

圖3 居中荷載示意圖

圖4 單側偏載示意圖

圖5 居中荷載下修補界面豎向剪應力云圖

圖6 單側偏載下修補界面豎向剪應力云圖

計算結果分析：裂縫處的剪應力具有明顯的奇異性，且數值較居中荷載高出一個數量級，綜合考慮應力分布，單側偏載下裂縫壁界面會處于更不利的工況，說明單側偏載引起的剪應力是造成裂縫發生和擴展的主要原因。因此，下述計算的布載方式取單側偏載，分析偏載下的不同裂縫寬度以及不同軸載對裂縫壁界面的影響。

1.2 不同裂縫寬度對裂縫修補體系的影響

本文分析裂縫寬度對界面豎向剪應力的影響時，布載方式采用單側偏載，裂縫寬度取0.5mm、3mm、5mm、10mm 四種裂縫寬度進行對比分析，界面應力計算結果見圖7。

圖7 不同裂縫寬度下界面最大豎向剪應力

計算結果分析：由圖7可知，裂縫寬度從0.5mm 的微裂縫增大到10mm大裂縫時，裂縫界面的豎向剪應力逐漸增大。相較于0.5mm 裂縫寬度界面的剪應力，裂縫寬度為3mm、5mm、10mm 時的修補界面剪應力分別增大了2.20%、5.89%、14.35%。說明裂縫寬度的增大對修補會產生不利影響，更容易力學脫粘。

1.3 不同軸載對裂縫修補體系的影響

重復的車輛荷載會引起瀝青路面從上表面出現Top-Down 荷載型疲勞裂縫。我國路面結構計算時需將所有軸次統一換算成標準軸載下的軸次，實際作用在路面上的軸載會出現大于100KN 的情況。根據我國不同車輛類型的軸載，本文選取100KN、150KN 以及180KN 軸載計算裂縫界面的應力值，路面裂縫寬度取w=3mm，計算結果見表2。

表2 不同軸載下界面豎向應力值

結果分析：由表3可知，軸載從100KN 增大到180KN 時，界面豎向剪應力出現增大的情況（增大79.98%），說明該應力對荷載數值較為敏感。因此，軸載的增大會加速裂縫的擴展過程，對裂縫壁產生顯著不利影響，需控制重載甚至超載車輛的通行。

2 溫度作用下瀝青路面開裂機理

溫度開裂是我國瀝青路面開裂的主要原因。在夏季，瀝青路面受熱膨脹，裂縫趨于收縮閉合，在冬季，低溫使得瀝青路面收縮，裂縫呈現向兩側擴張的趨勢。因此需分析溫度作用對裂縫界面的影響。本文溫度場分析路面采用熱傳遞單元DC2D8，溫度應力分析時選用CPE4R，溫度場參數和材料熱參數參考相關資料0，溫度場邊界條件見表2。

表3 溫度場分析邊界條件

溫度場裂縫計算結果見表4。

表4 溫度場開裂界面位移結果

計算結果分析：根據周期性變溫的分析結果，冬季路面水平受拉位移大于夏季，最大應變發生于路表，冬季瀝青路面更容易產生裂縫；且溫度引起的水平位移較荷載作用大，因此冬季瀝青路面低溫開裂是路表開裂的主要原因。

3 結語

根據瀝青混凝土路面受溫度和荷載作用開裂的分析計算結果顯示，車輛超載和溫度變化都會對瀝青路面產生不利影響，且溫度裂縫常常是因冬季低溫作用產生，因此防治路面裂縫需要提高瀝青混凝土材料的低溫斷裂韌性以及減少重載、超載車輛的通行。