低溫下公路面層反射裂縫的擴展研究

孫 淦 田鑫雨 錢 濤 趙麗君

（1.紹興市城投再生資源有限公司，浙江紹興 312000；2.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興 312000）

脆性材料在航空、汽車領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，脆性材料的斷裂和失效問題是研究人員熱衷的話題。我國大部分高速公路采用半剛性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包括瀝青路面、半剛性基層和底基層。

瀝青材料的塑性隨溫度變化，在一定范圍內(nèi)，溫度與塑性呈正比，在低溫狀態(tài)下，瀝青材料呈現(xiàn)脆性，有必要研究低溫環(huán)境下基層裂縫對面層反射裂縫的擴展[1-3]。

路面反射裂縫的主要研究方法包括試驗研究[4-10]、理論分析[11-12]和數(shù)值模擬[13-17]。付其林等[5]、馮新軍等[6]、袁高昂等[10]等對瀝青碎石的級配進行研究與對比，得到瀝青穩(wěn)定碎石油石比和空隙率與抗反射裂縫能力之間的關(guān)系。周富杰等[4]、周剛等[8]發(fā)現(xiàn)，加鋪土工網(wǎng)、土工格柵聚氨酯改性卷材、特殊金屬網(wǎng)格和經(jīng)編復(fù)合聚酯玻纖布對抗反射裂縫有較好的幫助。

路面反射裂縫的理論分析主要以靜力學分析法、斷裂及損傷力學為主，為反射裂縫研究提供豐富的理論支撐[11-12]。宋建民等[16]和黃立葵等[17]對瀝青面層反射裂縫擴展過程進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)增加面層厚度和減小基層彈性模量可以延長面層反射裂縫的疲勞壽命。

探究反射裂縫的擴展機制方面，現(xiàn)有研究多針對填料級配和道路結(jié)構(gòu)分層厚度，大部分研究只針對常溫條件，較少考慮低溫工況以及基層初始裂縫狀態(tài)對反射裂縫擴展的影響。現(xiàn)有研究多集中在裂縫的開裂機制方面，基層上裂縫的分布情況對反射裂縫的影響研究較為匱乏，尤其是基層上裂縫的傾角對反射裂縫的影響研究更少。文章擬采用數(shù)值模擬的方法，在基層設(shè)置0°、30°、45°、60°、75°傾角的裂縫，觀察勻速降溫過程中5種裂縫傾角對瀝青路面結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。

1 數(shù)值模型的建立及邊界條件

數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型

材料力學參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學參數(shù)

裂縫長度均為20mm，寬度為2mm，裂縫間距750mm；模型左、右、下邊界均固定，上表面受溫度作用。為了更好地觀測反射裂縫形成過程，選用加載方式為每步降低1℃，設(shè)定初始溫度為0，共計加載40步。

2 應(yīng)力與聲發(fā)射分析

不同傾角下模型的荷載步-聲發(fā)射曲線如圖2所示。

圖2 不同傾角下模型的荷載步-聲發(fā)射曲線

曲線中聲發(fā)射的量值可以反映模型中單元累計破壞量，能夠在一定限度上代表道路模型的破壞程度。

不同傾角下模型的荷載步-拉力曲線如圖3所示。

圖3 不同傾角下模型的荷載步-拉力曲線

曲線中，水平應(yīng)力大小可以直觀地顯示整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞的難易程度。

（1）五種情況的聲發(fā)射數(shù)量對比。

①聲發(fā)射數(shù)量均有一個爆發(fā)式增長階段，代表結(jié)構(gòu)在瞬間發(fā)生失穩(wěn)破壞。

②聲發(fā)射數(shù)量爆發(fā)式增長隨著預(yù)設(shè)裂縫傾角的增大而增大，特征表現(xiàn)為破壞延后。

（2）五種情況的應(yīng)力水平對比。

①應(yīng)力峰值整體上呈現(xiàn)隨著傾角增大而增大的趨勢，具有波動，但整體表現(xiàn)為破壞拉應(yīng)力增大。

②應(yīng)力峰值對應(yīng)步數(shù)整體上隨著預(yù)設(shè)裂縫傾角的增大而增大，其特征也表現(xiàn)為破壞延后。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個方面，由預(yù)設(shè)裂縫產(chǎn)生的拉應(yīng)力在反射裂縫的法向分量隨著角度的增加而減小；破壞單元增多，需要更多的能量與時間才能被完全破壞。

3 結(jié)語

對預(yù)設(shè)的五種傾角模型進行聲發(fā)射情況以及水平方向拉壓應(yīng)力研究，發(fā)現(xiàn)破壞溫度最低的模型預(yù)制傾角為75°，貫通裂縫出現(xiàn)的時間最晚。從整體上分析，五種模型的整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時，聲發(fā)射數(shù)量隨傾角的增大呈現(xiàn)波動式增長，結(jié)構(gòu)難以被破壞。可以使用設(shè)置預(yù)設(shè)縫預(yù)防道路開裂，隔一段長度設(shè)置一條豎直縫，進行填縫。可通過一些手段設(shè)置傾角大的縫，養(yǎng)護后應(yīng)盡量將精力放在修補傾角小的裂縫上。