路基不均勻沉降對瀝青路面Top-Down開裂影響分析

張茗

(海南路橋工程有限公司，海南 三亞 572000)

基于“強基薄面”的設計理念，目前中國二級以上公路大多采用半剛性基層瀝青路面。由路基不均勻沉降導致的瀝青路面Top-Down裂縫(TDC)是導致瀝青路面結構破壞的主要原因之一。大量研究表明，TDC產生初期，對路面結構承載力的影響很小，但隨著路基不均勻沉降，TDC裂紋向路基內部擴展，對半剛性基層瀝青路面的結構承載力和結構整體性產生破壞，嚴重影響路面的使用性能和壽命。因此，對路基不均勻沉降導致的瀝青路面Top-Down開裂行為進行研究，對提高半剛性基層瀝青路面的整體承載力和延長路面使用壽命意義重大。

近年來，將有限元軟件運用于半剛性基層瀝青路面開裂行為研究已日趨成熟，借助有限元軟件對半剛性基層瀝青路面開裂機理及影響因素進行了大量研究。如Zhao Y.等基于多層彈性計算機代碼APRA對瀝青路面的應力狀態進行分析，認為行車荷載與路面接觸時產生的橫向拉應力是導致TDC裂紋的原因之一；Miao Y.等為避免有限元中網格劃分對計算結果的影響，采用多域混合邊界點法和斷裂理論分析了水平應力對TDC裂紋的影響。但對路基不均勻沉降導致的瀝青路面Top-Down開裂成因和影響因素尚缺乏充分研究。為此，該文借助有限元軟件，分析路基沉降和裂紋位置等因素對瀝青路面TDC開裂的影響。

1 工程概況

依托某二級公路實體工程，對有限元模型參數進行標定。該公路的路面結構組成為4 cm AC-13上面層、6 cm AC-20下面層、20 cm 5.5%水泥穩定碎石基層、20 cm 4.0%水泥穩定碎石底基層、3 m壓實土基(見圖1)。

圖1 路面結構示意圖

2 有限元建模

2.1 模型基本假定

(1)考慮到面層材料的黏彈特性，選擇廣義Maxwell本構模型表征本構關系，基層、底基層及土基材料特性則為線彈性。

(2)考慮到路面為多層彈性體系，設定有限元模型層間位移完全連續。

(3)模型四周為法向約束、底部為完全約束。

(4)考慮到路面材料的自重，在Y方向為模型添加重力加速度。

(5)考慮到面層的吸熱特性，以50 ℃條件下瀝青混合料的工程參數作為模型計算參數。

2.2 模型建立

在有限元軟件中設定瀝青路面模型尺寸為X×Y×Z=6 m×3.5 m×4 m。為模擬TDC裂紋效果，在模型中設置一條縱向表面裂紋，裂紋初始深度h0=1 cm。在有限元計算分析過程中，荷載選取BZZ-100單軸雙輪標準軸載，垂直壓力設定為0.8 MPa，荷載布設位置見圖 2。考慮到路基不均勻沉降的長期性和復雜性，為簡化模型，突出主要因素的影響，將有限元模型中的土基分為左右兩部分，保持兩部分在X方向上完全連續，而在Y方向上單獨對右側土基施加沉降值，以此簡化路基不均勻沉降的作用效果。有限元模型見圖3。

圖2 荷載布設方式示意圖(單位：m)

圖3 有限元模型

2.3 模型參數

參考文獻[8]，設定表1所示各層材料參數。

表1 有限元模型參數

3 計算結果與分析

3.1 沉降對TDC裂紋擴展的影響

將沉降值設定為0、1、2、3、4、5 cm，通過有限元模型分析半剛性基層不均勻沉降對半剛性基層瀝青路面TDC裂紋擴展的影響。為提高沉降值對TDC擴展影響的精度，繪制不同初始沉降值下擴裂時程曲線(見圖4)并提取6種不同情況下TDC裂紋最終擴展值(見圖5)。

圖4 初始沉降值對TDC裂紋擴展的影響

圖5 初始沉降值對TDC裂紋擴展終值的影響

由圖4和圖 5可知：總的來看，初始沉降值越大，TDC裂紋的最終擴展深度越大。初始沉降值為零時，TDC沒有繼續擴展，最終沉降值為零；初始沉降值為1 cm時，TDC裂紋的最終擴展深度為20 mm；初始沉降值為3 cm時，TDC裂紋的最終擴展深度為40 mm，是初始沉降值為1 cm時TDC裂紋擴展終值的2倍；初始沉降值為5 cm時，TDC最終擴展深度為90 mm，裂紋深度已達到面層深度的90%，幾乎貫穿整個面層，說明沉降值繼續增大會加劇TDC裂紋的最終擴展深度，并將裂縫擴展至基層，增加路面病害產生的概率，對路面不利。此外，初始沉降值對裂紋擴展的影響程度隨時間的延長先增大后減小，表現為圖 4中每條曲線的斜率先增大后減小。每條曲線的起裂時刻與擴展速率之間不盡相同，沒有較強的規律性，初始沉降值較小(1、2 cm)時，2 cm初始沉降值更早開始裂紋擴展，兩者的擴展速率之間沒有明確的相關關系；初始沉降值越大(3、4、5 cm)，裂紋起裂時刻越早，且三者的擴展速率與初始沉降值成正相關關系。

綜上，路基不均勻沉降初始值越大，裂紋應力集中積累的損傷應力越大，TDC裂紋擴展速率和擴展程度增大。

3.2 裂紋位置對TDC裂紋擴展的影響

在分析沉降值對裂紋擴展的影響規律時，TDC在模型中的位置固定于路中央，未考慮裂紋位置對TDC裂縫擴展的影響。在實際使用過程中，路面受行車荷載和路基不均勻沉降的共同作用，路面結構的應力分布也呈動態變化。如圖6所示，將模型中的初始沉降值設為5 cm，分析裂紋向左側非沉降區平移1、2、3、4、5 cm和向右側沉降區平移1、2、3、4、5 m時路面結構受力。分析結果見圖7、圖8，2種偏移情況下TDC裂紋的最終深度見圖9。

圖6 裂紋布設示意圖

圖7 裂紋左移對TDC裂紋擴展的影響

圖8 裂紋右移對TDC裂紋擴展的影響

圖9 左移與右移情況下TDC裂紋終值對比

由圖 7、圖 8可知：無論裂紋向左側還是向右側平移，TDC裂紋擴展終值都隨位移值的增大先增大后減小，最終在平移5 cm后裂紋擴展值為零，說明裂紋無論是左移或右移，大于等于5 cm時TDC裂紋不發生擴展。

由圖9可知：裂紋左移比裂紋右移對裂紋擴展的影響大。偏移1 cm時，兩者裂紋擴展終值變化趨勢相同；但裂紋位置由1 cm偏移至2 cm時，裂紋左移，擴展終值減少28.6%，裂紋右移擴展終值減少9.5%；裂紋位置平移4 cm時，裂紋左移擴展終值降為零，裂紋右移裂紋擴展終值減少47.6%。TDC裂紋偏移位置大于1 cm時，裂紋向右偏移所導致的TDC裂紋擴展終值始終大于裂紋左移對應的值。以偏移值3 cm為例，裂紋右移時擴展深度為60 mm，左移對應的裂紋擴展深度為35 mm，右移對TDC裂紋擴展的影響比左移小得多。

4 結論

(1)沉降值和TDC裂紋位置對半剛性基層瀝青路面Top-Down開裂影響較大。初始沉降值越大，TDC裂紋擴展越嚴重。初始沉降值為零時，單一的軸載作用并不會造成裂紋擴展；初始沉降值為5 cm時，裂紋幾乎貫穿整個路面層。

(2)沉降值越大，裂紋開裂時刻越早，裂紋擴展時間變長，且開裂速率越大，表現為擴展速率及擴展終值增大。

(3)裂紋位置對裂紋擴展的影響較復雜，影響程度隨裂紋平移距離和方向而改變，TDC裂紋往沉降區平移對裂紋擴展的影響小于向非沉降區平移；裂紋擴展終值隨平移距離的增加而下降時，右移對應的裂紋終值衰減速率比左移慢。