貧瀝青碎石緩解層抗裂效果有限元分析

龔志成 曹寧

【摘? ? 要】：為了進一步了解貧瀝青碎石作為一種新型裂縫緩解層的抗反射裂縫能力，應用有限元軟件ABAQUS分析在半剛性基層設置預留裂縫的條件下，貧瀝青碎石緩解層層底應力強度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ隨裂縫緩解層厚度變化的規律，得出貧瀝青碎石緩解層合理厚度范圍為8～11 cm；通過抗反射裂縫能力對比分析，得出動態荷載在行進裂縫區域0.03～0.04 s時間段內，裂縫極易產生擴展；貧瀝青碎石緩解層層底裂縫尖端KⅠ、KⅡ、KⅢ分別是其他材料緩解層層底裂縫尖端KⅠ、KⅡ、KⅢ約0.6、0.42、0.41倍，有減緩裂縫開展的能力。

【關鍵詞】：貧瀝青碎石；裂縫緩解層；抗裂效果；路面結構；半剛性基層

【中圖分類號】：U414【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）03-01-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.001

Finite Element Analysis of Crack Resistance of Lean Asphalt Gravel

GONG Zhicheng1，CAO Ning2

（1.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd.，Tianjin? 300392，China；2. Shandong High-speed Engineering Testing Co. Ltd.， Jinan 250000，China）

【Abstract】： The anti-reflective crack ability of lean asphalt macadam as a new type of crack relief layer， the finite element software ABAQUS is used to analyze the rule of the stress intensity factors? KⅠ、KⅡ、KⅢ at the bottom of the lean asphalt macadam relief layer changing with the thickness of the crack relief layer under the condition that the semi-rigid base is equipped with reserved cracks， and the reasonable thickness range of the lean asphalt macadam relief layer is 8～11 cm;through the comparative analysis of the anti-reflection crack ability， the results show that the crack is very easy to expand during the period of 0.03～0.04 s in the moving crack area under dynamic load;the KⅠ、KⅡ and KⅢ at the bottom crack tip of the LAG alleviation layer are about 0.6， 0.42， and 0.41 times of the bottom crack tip KⅠ、KⅡ and KⅢ of other materials；This indicates that the LAG has the ability to significantly slow crack development.

【Key words】： lean asphalt gravel; crack resistance layer; pavement structure; semi-rigid base

貧瀝青碎石作為裂縫緩解層，在級配碎石的基礎上添加少量瀝青，使結合料剛好能夠黏結，改善級配碎石表面松散和施工性能差的缺點；同時提高碎石的模量，增強其抵抗荷載的能力，達到改善材料抗裂性能的目的[1～3]。

近年來，國內針對貧瀝青級配碎石進行了一些研究[4～8]，主要是對貧瀝青碎石混合料的級配設計方法、貧瀝青碎石路用性能等，經試驗路鋪筑初步證明其具有良好的抗反射裂縫能力；尚未有相應的路面結構理論研究其抗裂緩解所需的厚度或驗證其抗裂性能優劣程度，也未有對含貧瀝青碎石緩解層路面結構應力的研究。本文通過室內試驗得出貧瀝青碎石合理動態壓縮模量值；采用有限元軟件ABAQUS模擬路面各結構層受力情況，計算分析在動態荷載下貧瀝青碎石緩解層合理厚度范圍；在設置相同緩解層厚度下，運用軟件對比分析貧瀝青碎石裂縫緩解層及其他裂縫緩解層的抗裂能力。

1 路面結構設計參數

考慮設置貧瀝青碎石緩解層的路面結構設計厚度不明確，采用有限元軟件ABAQUS模擬路面結構進行動態力學分析。為了保證模擬的真實性，賦予各層材料的屬性應符合動力分析的參數要求，參考JTGD 50—2017《公路瀝青路面設計規范》及相關設計經驗[9～11]確定動態荷載下路面結構設計參數。見表1。

2 貧瀝青緩解層厚度推薦

采用應力強度因子來分析和研究裂縫尖端的應力場強度變化，以確定貧瀝青碎石緩解層的最佳厚度。見圖1和圖2。

由圖1可以看出，貧瀝青碎石緩解層厚度在8～15 cm，裂縫尖端處的張開型應力強度因子KⅠ變化值明顯小于剪切型應力強度因子KⅡ和撕開型應力強度因子KⅢ，說明在動態荷載作用下，貧瀝青碎石緩解層層底裂縫受豎向剪切力、撕開拉應力的影響比張開拉應力大。

由圖2可以看出，三類強度因子的變化率隨貧瀝青碎石緩解層厚度的增加呈減小趨勢且KⅠ、KⅢ的減小幅度要大于KⅡ。KⅠ、KⅢ在緩解層厚度由7 cm增到11 cm的過程中基本呈線性減小趨勢且減小幅度較大，尤其是厚度由7 cm增到9 cm過程中KⅠ降幅最高達到11.65%、KⅢ降幅最高達到13.17%；當厚度達到11 cm左右時開始變小，KⅠ降幅僅1.46%、KⅢ降幅僅為2.33%；在達到14 cm左右時降幅近似為0；分析判定緩解層厚度為11 cm時是拐點，超過11 cm，厚度對減小應力作用并不明顯，所以通過KⅠ、KⅢ將貧瀝青碎石緩解層的厚度設為11 cm較為合適。同理，由KⅡ可得貧瀝青碎石緩解層的厚度設為10 cm較宜。

3 抗反射裂縫能力對比分析

3.1 裂縫緩解層材料動力分析參數

將貧瀝青碎石層與其他抗裂材料層作為裂縫緩解層對比，其余路面結構材料參數不變，研究貧瀝青碎石LAG、密集配瀝青混凝土AC-25、密級配瀝青穩定碎石ATB-25、開級配瀝青穩定碎石ATPB-25動態荷載作用下抗反射裂縫的效果。見表2。

3.2 抗反射裂縫能力對比

利用ABAQUS軟件分析動態荷載作用于設定行車道0.1 s內，裂縫尖端應力強度因子變化規律，動態荷載作用在中心裂縫區域時間段為0.03～0.06 s。見圖3。

3.2.1 裂縫尖端應力強度因子KⅠ

動態荷載呈半正弦函數變化，0.1 s時間內荷載通過設定的區域（包括中心設定的裂縫所在區域）KⅠ呈波浪形變化。在0～0.03 s過程中，荷載逐漸接近裂縫所在區域，裂縫區域的KⅠ由正變負，在0.02 s時達到最大負值，裂縫區域呈受壓狀態，即裂縫愈不容易擴展；0.03 s時荷載達到裂縫區域，裂縫區域的KⅠ達到最大值，即裂縫有水平垂直行車方向張開的趨勢；而0.05 s荷載作用最大時，對裂縫的張拉型應力強度因子并不是最大。0.03 s時各緩解層層底KⅠ達到最大值，排序為LAG＜ATPB-25＜ATB-25＜AC-25。在動態荷載作用下，荷載在剛靠近裂縫（0.03 s）時，兩側的載荷使得輪隙之間的裂縫承受張開拉應力而極易擴展。見圖4。

3.2.2 裂縫尖端應力強度因子KⅡ

動態荷載呈半正弦函數變化， KⅡ呈波浪形變化。在0～0.035 s過程中，荷載逐漸接近裂縫所在區域，裂縫區域的KⅡ逐漸增大，在0.035 s時達到最大負值，裂縫區域受豎直向下的剪切應力作用，即裂縫愈容易擴展；0.06 s時荷載駛離裂縫區域，裂縫區域的KⅡ達到最小值，而0.05 s荷載作用最大時，荷載對裂縫的剪切型應力強度因子并不是最大。0.035 s時各緩解層層底KⅡ達到最大值，排序為LAG＜ATB-25＜ATPB-25＜AC-25。在動態荷載作用下，荷載在剛靠近裂縫（0.03 s）時，兩側的載荷使得輪隙之間的裂縫承受剪應力而極易產生相對滑動。見圖5。

3.2.3 裂縫尖端應力強度因子KⅢ

動態荷載呈半正弦函數變化， KⅢ呈波浪形變化。在0～0.04 s過程中，荷載由接近裂縫至裂縫區域內，裂縫區域的KⅢ由開始的平行行車方向受壓狀態逐漸變為受拉應力狀態，在0.04 s時達到最大值，裂縫區域受平行行車方向的拉應力作用，即裂縫愈容易擴展；由于路面材料阻尼的滯后性，0.09 s時荷載駛離裂縫區域0.03 s后，裂縫區域的KⅢ逐漸恢復受壓狀態且0.05 s荷載作用最大時，荷載對裂縫的撕開型應力強度因子并不是最大。0.04 s時各緩解層層底KⅢ達到最大值，排序為LAG＜ATB-25＜ATPB-25＜AC-25。在動態荷載作用下，荷載在駛進裂縫區域后（0.04 s），兩側的載荷使得輪隙之間的裂縫承受拉應力而極易擴展。見圖6。

4 結論

1）強度因子的變化率隨貧瀝青碎石緩解層厚度的增大呈減小趨勢且KⅠ、KⅢ的減小幅度大于KⅡ，說明在動態荷載作用下，貧瀝青碎石緩解層層底裂縫受豎向剪切力、撕開拉應力的影響比張開拉應力大；貧瀝青碎石緩解層厚度合理范圍為8～11 cm。

2）在動態荷載作用下裂縫尖端區域的應力強度因子呈波浪形變化，荷載在行進裂縫區域0.03～0.04 s時間段內，兩側載荷使得輪隙間的裂縫承受張開拉應力、撕開型拉應力、豎向剪應力的綜合作用，裂縫極易產生擴展。

3）LAG層層底裂縫KⅠ是其他材料緩解層層底KⅠ約0.6倍；LAG層層底裂縫KⅡ、KⅢ是其他材料緩解層層底裂縫尖端的KⅡ、KⅢ約0.4倍，各裂縫緩解層層底最大KⅡ、KⅢ排序均為LAG＜ATB-25＜ATPB-25＜AC-25，表明LAG緩解層具有明顯的減緩裂縫開展能力，作為中間結構層緩解半剛性基層反射裂縫問題有明顯優勢。

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