溫度動(dòng)載作用下瀝青路面開裂分析研究

張星宇

（江西高速石化有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000）

0 引言

瀝青路面在我國公路建設(shè)中的應(yīng)用比較普遍，瀝青路面在應(yīng)用過程中因?yàn)椴牧腺|(zhì)量、環(huán)境條件、交通狀態(tài)等因素的影響，防范和治理面層開裂成為常態(tài)。高海拔氣候惡劣地區(qū)的瀝青路面開裂誘因、發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及治理方式，有其獨(dú)特的規(guī)律和特點(diǎn)。該研究基于斷裂力學(xué)、溫度應(yīng)力場理論，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，引入應(yīng)力強(qiáng)度因子，對溫度動(dòng)載作用下的高海拔地區(qū)瀝青路面開裂發(fā)展?fàn)顟B(tài)展開分析研究，探討溫度和移動(dòng)載荷影響下的瀝青路面裂隙發(fā)展規(guī)律，以進(jìn)一步梳理適合該地區(qū)公路瀝青路面的防開裂養(yǎng)護(hù)治理思路。

1 案例與分析模型

某公路采用雙向單車道，自上而下路面結(jié)構(gòu)為“AC-13細(xì)粒度混凝土上面層4 cm+AC-20中粒度混凝土下面層5 cm+水穩(wěn)定基礎(chǔ)層和土基20 cm”。地域海拔超過5 000 m，常年低溫、晝夜溫度差，使路面持續(xù)承受比較大的溫度應(yīng)力，面臨溫縮開裂考驗(yàn)。過往貨車較多，貨車裝載量動(dòng)輒數(shù)十噸。車道少，車輛多，路況和氣候差，行車速度慢，使路面經(jīng)常面臨更大和更長時(shí)間的動(dòng)載荷作用。特殊的地域、氣候和交通載荷狀態(tài)下，該公路面臨著防御溫度動(dòng)載作用下的瀝青路面開裂治理任務(wù)。該研究利用有限元ABAQUS模擬系統(tǒng)，建立路面裂隙有限元三維模型（高2 m×長6 m×寬3.75 m）。為提高模擬精度，在裂隙尖端配置增加了奇異單元運(yùn)算。

2 溫度動(dòng)載影響模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度動(dòng)載作用分析

通過模擬運(yùn)算，獲得了瀝青路面在移動(dòng)載荷影響下的動(dòng)載應(yīng)力云圖。顯示在0.01 s的時(shí)候，車道邊緣處應(yīng)力集中，這時(shí)的移動(dòng)載荷剛剛開始作用于行車區(qū)域。隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向右移動(dòng)，接近裂隙所在區(qū)域。車輛經(jīng)過裂隙之后，應(yīng)力集中繼續(xù)向右移動(dòng)，在0.20 s時(shí)遠(yuǎn)離了設(shè)定施加載荷區(qū)域[1]。

裂隙區(qū)域的Mises應(yīng)力也發(fā)生了一系列的變化。當(dāng)剛施加0.01 s載荷時(shí)，裂隙區(qū)域應(yīng)力在1.101~1.239 MPa范圍，當(dāng)載荷逐漸向裂隙移動(dòng)時(shí)，裂隙區(qū)域應(yīng)力小于1.123 MPa。當(dāng)載荷處于裂隙上方時(shí)，發(fā)生顯著應(yīng)力集中，應(yīng)力在1.215~1.620 MPa間變動(dòng)。載荷駛離裂隙的1.04 s時(shí)刻，載荷作用區(qū)域仍應(yīng)力集中，應(yīng)力值在1.142~1.268 MPa范圍。當(dāng)載荷即將駛離加荷區(qū)域時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離裂隙，應(yīng)力值處于1.048~1.178 MPa范圍。總體來說，載荷在裂隙附近時(shí)，裂隙區(qū)的應(yīng)力相對最集中。

在Ti的7:00和16:00時(shí)刻引入溫度場及其應(yīng)力場，對移動(dòng)載荷對裂隙尖端的影響進(jìn)行分析[2]。結(jié)果顯示，0.09~0.11 s之間，移動(dòng)載荷從裂隙正上方經(jīng)過，直方圖的峰值在這個(gè)階段發(fā)生，此與上面的應(yīng)力云圖反應(yīng)狀態(tài)一致。16:00應(yīng)力高于1 000 kPa，7:00的應(yīng)力均不到500 kPa，兩者存在著較大差異。二者的動(dòng)載荷施加和應(yīng)力時(shí)程波動(dòng)狀態(tài)均基本一致，顯然是溫度場引發(fā)的溫度應(yīng)力差異所致。7:00、16:00時(shí)的裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ、KⅡ和KⅢ的時(shí)程曲線見圖1和圖2所示。

圖1 應(yīng)力強(qiáng)度因子7時(shí)時(shí)程曲線

圖2 應(yīng)力強(qiáng)度因子6時(shí)時(shí)程曲線

應(yīng)力強(qiáng)度因子強(qiáng)度曲線顯示，7:00時(shí)KⅠ的絕對值小于 1 000 kPa·m1/2，K Ⅱ的絕對值高達(dá) 12 000 kPa·m1/2，KⅢ在整個(gè)過程中幾乎為零，比前二者小了約6~7個(gè)量級(jí)。因此在溫度和移動(dòng)載荷的影響下，開裂多為Ⅰ、Ⅱ型狀態(tài)，并且后者居于主導(dǎo)地位，16:00時(shí)也是如此，因此在下面討論中，只考慮KⅠ和KⅡ?qū)?yīng)的Ⅰ型和Ⅱ型裂隙。對于KⅡ，正反兩方面因素都促進(jìn)其發(fā)生開裂。從動(dòng)載荷加施過程看，當(dāng)移動(dòng)載荷接近裂隙上方時(shí)，KⅡ的絕對值迅速增大，當(dāng)移動(dòng)載荷遠(yuǎn)離裂隙上方時(shí)，KⅡ的絕對值會(huì)迅速降低。對于kⅠ，當(dāng)移動(dòng)載荷行駛到裂隙上方時(shí)，其值為正，是促進(jìn)Ⅰ型開裂；遠(yuǎn)離裂隙上方時(shí)，其值為負(fù)，是為不促進(jìn)開裂。

在圖2和圖3中，7:00的KⅡ曲線各點(diǎn)的縱坐標(biāo)總是比16:00的要低，7:00時(shí)KⅡ的絕對值比16:00的要大，表明7:00時(shí)更促進(jìn)Ⅰ型和Ⅱ型開裂的發(fā)生與發(fā)展。上面已經(jīng)討論過16:00的應(yīng)力值要比7:00的應(yīng)力值高，之所以這樣，是由于7:00的溫度遠(yuǎn)比16:00要低，由此致使瀝青復(fù)合料發(fā)生了性能參數(shù)差異。這也就解釋了為什么高海拔和低溫地區(qū)的瀝青路面更容易開裂。

2.2 應(yīng)力因子影響分析

前述分析顯示，在溫度和動(dòng)載荷的影響下，7:00要比16:00更易于促進(jìn)Ⅰ型和Ⅱ型裂隙的發(fā)生和發(fā)展。原因是7:00時(shí)瀝青溫度比16:00時(shí)的溫度低，造成瀝青復(fù)合料模量不同，促進(jìn)形成更大的KⅠ和KⅡ絕對值。接下來，通過分別增大和減小上下層的原始模量，觀察Ⅰ型和Ⅱ型開裂應(yīng)力的強(qiáng)度因子變化狀態(tài)，借以探討有利于抗御開裂的復(fù)合料改進(jìn)方向。

（1）上面層模量。模型3的材料性能函數(shù)中，分別將AC-13的模量降低和增加200 MPa，其他項(xiàng)目不變，提交運(yùn)算，所得的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ和KⅡ時(shí)程柱圖見圖3和圖4所示[3]。

圖3和圖4顯示，增大上面層模量使KⅠ和KⅡ的應(yīng)力強(qiáng)度因子均絕對值增大，而降低上面層模量，應(yīng)力強(qiáng)度因子的絕對值均隨之降低。對上面層增加200 MPa模量時(shí)，KⅠ最大強(qiáng)度因子增加8.79%，對上面層降低200 MPa模量時(shí)，KⅠ強(qiáng)度因子最大降低9.11%。同理，KⅡ最大強(qiáng)度因子值增加10.36%，上面層降低200 MPa模量時(shí)，KⅡ最大強(qiáng)度因子值降低10.09%。

圖3 上面層KⅠ應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程柱圖

圖4 上面層KⅡ應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程柱圖

所以適當(dāng)降低上面層模量有助于降低KⅠ和KⅡ的極值狀態(tài)，有利于控制和緩解瀝青路面結(jié)構(gòu)層因溫度和載荷應(yīng)力影響而發(fā)生開裂。

（2）下面層模量。將下面層AC-20的模量分別增加減少200 MPa，其他操作保持不變。KⅠ、KⅡ時(shí)程柱圖如圖5和圖6所示。

圖5 下面層KⅠ應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程柱圖

圖6 下面層KⅡ應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程柱圖

圖5和圖6顯示，增加下面層的模量，KⅠ和KⅡ應(yīng)力強(qiáng)度因子的最大絕對值降低，而降低下層的模量，KⅠ和KⅡ應(yīng)力強(qiáng)度因子的最大絕對值增加。KⅠ的基準(zhǔn)模量最大值為599.3 kPa·m1/2，增加200 MPa后的最大值為599.0 kPa·m1/2，減小 200 MPa后的最大值為 609.0 kPa·m1/2。上面層模量增加200 MPa時(shí)，KⅠ最大值下降0.05%，上面層模量減少200 MPa時(shí)，KⅠ最大值增加1.62%。KⅡ的基準(zhǔn)模量最低值為-9 011.6 kPa·m1/2，增加200 MPa后的最低值為-8 959.0 kPa·m1/2，減小200 MPa后的最低值為-9 064.3 kPa·m1/2。上面層模量增加200 MPa時(shí)，KⅡ最低值下降0.58%，上面層模量減少200 MPa時(shí)，KⅠ最低值增加0.58%。

所以適當(dāng)降低下面層模量，會(huì)增加KⅠ和KⅡ的極值，提高下面層模量，有助于降低KⅠ和KⅡ的極值，控制或緩解瀝青路面裂隙的滑開型、張開型擴(kuò)展。

2.3 車輛荷載影響分析

2.3.1 車速影響

車速影響移動(dòng)載荷對路面的作用狀態(tài)。分別將速度從15 m/s改為30 m/s和10 m/s，得到應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化狀態(tài)如下：盡管車速變化，但是不同移動(dòng)載荷引起的Ⅰ型裂隙的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ的峰值基本相同。但隨著速度的降低，移動(dòng)載荷對裂隙尖端的作用時(shí)間增加，使得KⅠ大于0的時(shí)間變長，從而促進(jìn)Ⅰ型裂隙的產(chǎn)生。當(dāng)車速變化，不同移動(dòng)載荷引起的裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ的峰值一般是相同的。同樣，隨著車速的降低，移動(dòng)載荷對裂隙尖端的作用時(shí)間增加，無論KⅡ正負(fù)與否，均可以促進(jìn)裂隙Ⅱ型開裂，所以低車速會(huì)促進(jìn)裂隙的發(fā)展。

2.3.2 接地壓力影響

車輛行駛時(shí)，道路不僅要承受車身自重施加的靜壓力，還要承受車輛振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。無論是靜載荷還是動(dòng)載荷，都是通過輪胎將載荷直接傳導(dǎo)到路面，通過改變輪胎的壓力，可以改變輪胎與路面的接觸面積。因此可以通過適當(dāng)改變接地的壓力來模擬行駛動(dòng)荷載的影響。公路運(yùn)輸時(shí)常存在超載現(xiàn)象。超載車輛一般通過增加胎壓來維持行駛功效，而胎壓的增加會(huì)增加輪胎的接地壓力。通常汽車輪胎氣壓多高于1 MPa，這超過了0.7 MPa的標(biāo)準(zhǔn)。本部分通過改變輪胎接地壓力，討論對裂隙擴(kuò)展的影響，接地壓力分別選擇標(biāo)準(zhǔn)壓0.7 MPa、過載1.0 MPa 和過載 1.3 MPa[4]。

在圖7中，KⅠ應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著接地壓力的增加而增加，0.7 MPa的KⅠ接地壓力最大值為599.3 kPa·m1/2，1.0 MPa接地壓力KⅠ的最大值為857 kPa·m1/2，1.3 MPa接地壓力KⅠ的最大值為1 113.7 kPa·m1/2。當(dāng)接地壓力增加0.3 MPa時(shí)，KⅠ最大值增比分別為43.0%和30.0%。

圖7 接地壓力影響的KⅠ應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程柱圖

3 結(jié)語

綜上所述，以有限元模擬分析的方法，對溫度動(dòng)載作用下的高海拔地區(qū)的瀝青路面開裂發(fā)展?fàn)顟B(tài)開展分析研究。①開展了溫度動(dòng)載作用分析，結(jié)果顯示，適當(dāng)降低上下結(jié)構(gòu)層模量，有利于控制和緩解瀝青路面結(jié)構(gòu)層因溫度和載荷應(yīng)力影響而發(fā)生開裂。②開展了應(yīng)力因子影響分析，結(jié)果顯示，降低上下面層模量，有助于降低KⅠ和KⅡ的極值，控制或緩解滑開型、張開型擴(kuò)展。③開展了車輛荷載影響分析，結(jié)果顯示，低行車速度下，移動(dòng)載荷對裂隙尖端的作用時(shí)間增加，增加輪胎與地面的壓力，會(huì)促進(jìn)瀝青路面開裂。