瀝青路面滑移裂縫擴(kuò)展仿真及試驗(yàn)研究

摘 要：文章以廣西某瀝青路面為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果，采用擴(kuò)展有限元法和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探討了瀝青路面滑移裂縫的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的工程指導(dǎo)建議，可為后續(xù)瀝青路面的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論支持和工程參考。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；擴(kuò)展有限元；參數(shù)試驗(yàn)測定；滑移裂縫；路面試驗(yàn)

中圖分類號：U416.217A190664

0"引言

目前，高速公路已經(jīng)成為支撐著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要交通設(shè)施。截至2022年末，我國高速公路總里程已經(jīng)達(dá)到17.70×104 km，位于世界首位［1］。瀝青路面因其表面平整、不易滲漏、減震降噪效果顯著、行車舒適、可分段維修等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用［2-3］。目前我國超過80%的高速公路都使用瀝青路面［4］。隨著瀝青路面的普及，對瀝青路面病害的研究和治理就十分重要。

瀝青路面常見病害種類有很多，Myers等［5］早在1998年就基于斷裂力學(xué)理論，通過有限元方法對瀝青路面表面裂縫進(jìn)行了研究，認(rèn)為瀝青路面表面裂縫的擴(kuò)展的主要誘因是拉應(yīng)力。Freitas等［6］也通過建立基于粘彈性原理的三維有限元模型，分別探討了車輪接地應(yīng)力、瀝青混合料參數(shù)及施工工藝對表面裂縫中Top-Down裂縫（TDC）的影響，認(rèn)為車輪輪跡邊緣的較大拉應(yīng)力加上溫度降低產(chǎn)生的拉應(yīng)力共同導(dǎo)致了微裂縫擴(kuò)展成Top-Down裂縫。SUN等［7］發(fā)現(xiàn)近地表的水平拉應(yīng)力可能是導(dǎo)致瀝青路面滑移裂縫拓展的主要因素，其中尤以輪胎邊緣外的水平拉應(yīng)力更為顯著，且輪胎近表面載荷下的粗集料大多處于橫向壓縮狀態(tài)，但表層中存在明顯的拉應(yīng)力，可能是微裂紋萌生和擴(kuò)展的主要原因。Miao Y 等［8］結(jié)合混合邊界節(jié)點(diǎn)的方法和斷裂力學(xué)理論研究瀝青路面表面裂紋形成的主要因素，認(rèn)為其主要形成原因是由較大的輪胎-路面接觸應(yīng)力引起的。張珊珊［9］通過使用ABAQUS軟件建立瀝青路面表面裂紋三維模型，考慮了瀝青材料的勁度梯度、輪胎-路面接觸、溫度應(yīng)力等因素，分析了瀝青路面表面裂縫的開裂機(jī)理。易昕［10］通過三維有限元方法分析了瀝青路面表面裂紋開裂機(jī)理，認(rèn)為剪應(yīng)力是表面TDC微裂縫開裂擴(kuò)展的主要影響因素，還考慮了各結(jié)構(gòu)層厚度和模量對其影響程度。胡淵［11］通過瀝青混合料小梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面表面裂縫擴(kuò)展過程，認(rèn)為瀝青面層厚度的適當(dāng)增加可以降低表面裂縫擴(kuò)展的速率，也會增加裂縫的疲勞壽命［12］。上述研究對于瀝青路面裂縫的研究具有意義，但依然存在不足。這些研究普遍按照100 kN的輪胎荷載計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，未考慮超載情況下路面的真實(shí)受力，且這些研究中對于面層-面層和面層-基層之間的接觸關(guān)系設(shè)置相對簡單，大多為光滑或連續(xù)，與實(shí)際瀝青路面層間連接方式不符［13-14］。因此，本研究以高速公路半剛性瀝青路面為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外大量相關(guān)研究的成果，進(jìn)行了綜合研究，提出了基于動力學(xué)實(shí)測數(shù)據(jù)輸入、編程與XFEM相結(jié)合的方法，并考慮了粘聚區(qū)本構(gòu)模型，對瀝青路面表面裂縫擴(kuò)展進(jìn)行了全面研究。

1"滑移裂縫仿真計(jì)算模型及參數(shù)的確定

本文針對廣西某公路瀝青路面工程實(shí)例中瀝青路面滑移裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行研究，通過二次開發(fā)與有限元相結(jié)合建立了精細(xì)化仿真模型，選定了特定區(qū)域作為XFEM的計(jì)算區(qū)域，并對其材料參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)亩x。同時，利用MATLAB控制程序來定義材料的損傷準(zhǔn)則以及損傷演化規(guī)律；通過施加實(shí)際測得的車輛動力學(xué)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際工況的模擬；最后在輸出變量中對XFEM裂紋相關(guān)參數(shù)進(jìn)行輸出。

結(jié)合廣西某瀝青路面的實(shí)際工況，設(shè)置仿真模型建立結(jié)果如圖1所示。彈性模量參數(shù)來自文獻(xiàn)［15-16］。本研究主要研究的是瀝青路面滑移裂縫拓展，因此研究中需要結(jié)合室內(nèi)直剪試驗(yàn)分析，來確定所需要的層間參數(shù)。本試驗(yàn)研究中分別測試不同溫度下、不同粘結(jié)層材料用量以及不同粘結(jié)層材料作用下的層間抗剪強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，從而獲取聯(lián)合仿真所需要的層間各類瀝青材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。此外，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以得到，此路面裂縫開裂模型中，上面層-中面層層間強(qiáng)度選用范圍為0.1～0.5 MPa。根據(jù)相關(guān)公式［17-20］，可以計(jì)算出不同軸載情況下輪胎接地形狀以及接地壓強(qiáng)本節(jié)將對利用擴(kuò)展有限元法［21-23］求解裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的精確度進(jìn)行驗(yàn)證。

2"瀝青路面滑移裂縫擴(kuò)展研究

基于前文中確定參數(shù)后的滑移裂縫仿真計(jì)算模型，本節(jié)設(shè)置輪胎荷載水平分別為100 kN、120 kN、140 kN和160 kN，上面層彈性模量為12 900 MPa，裂縫深度為0.5 cm，不設(shè)置水平荷載。荷載的施加位置如圖2所示（其余模型同理）。

根據(jù)圖3的計(jì)算結(jié)果可知，隨著軸載的增大，K Ⅰ和K Ⅱ 的絕對值也隨之增大。其中，K Ⅰ 為負(fù)，而K Ⅱ 為正。K Ⅰ 為負(fù)表示僅有軸載作用且作用位置在裂縫一側(cè)時，裂縫在張開方向上會呈現(xiàn)閉合趨勢。而隨著軸載的增大，趨勢會變得更加明顯。隨著水平荷載的增大，應(yīng)力強(qiáng)度因子K Ⅰ 和K Ⅱ 均逐漸增大，且符號均為負(fù)。當(dāng)荷載從100 kN增加到160 kN時，應(yīng)力強(qiáng)度因子K Ⅰ 增加了17%。因此，對于已經(jīng)存在的橫向裂縫，在車輛剎車瞬間輪跡后方裂縫中點(diǎn)裂尖不會產(chǎn)生 Ⅰ 型張開裂縫的趨勢。相反，更容易產(chǎn)生 Ⅱ 型滑移裂縫。

本節(jié)中將對裂縫的位置對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響進(jìn)行定量研究。在本研究中，滑移裂縫在車輪接地區(qū)域的后方，將從裂縫距輪跡后緣距離為0～9 cm分別計(jì)算其應(yīng)力強(qiáng)度因子。選用軸載為160 kN，水平荷載系數(shù)為行車方向0.7，上面層彈性模量為12 900 MPa，裂縫深度為0.5 cm。如下頁圖4顯示了滑移裂縫中點(diǎn)處STATUSXFEM在不同時間內(nèi)的變化情況。裂紋的擴(kuò)展路徑已經(jīng)加粗顯示。觀察下頁圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛剎車時，路面承受的瞬時拉應(yīng)力非常大，導(dǎo)致在0.003 6 s時滑移裂縫中點(diǎn)處的豎向裂尖處的拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了0.6 MPa，從而引起裂紋的擴(kuò)展。由于上面層較薄，裂紋在0.013 4 s時已經(jīng)穿過了上面層。由于滑移裂縫中點(diǎn)處不僅是拉應(yīng)力最大的位置，而且豎向擴(kuò)展速度最快，因此裂紋在這里的擴(kuò)展時間最短。其他位置的滑移裂紋在0.013 4 s之后開始沿著橫向和行車方向U形擴(kuò)展。綜上可得，黏層油的存在抵消了一部分由上至下的應(yīng)力傳遞，因此裂紋沒有在中間層上擴(kuò)展。

其中，當(dāng)STATUSXFEM=0時，模型裂紋還沒有達(dá)到損傷起始準(zhǔn)則，則滑移裂紋沒有擴(kuò)展；當(dāng)0lt;STATUSXFEMlt;1時，此時材料開始累積損傷，裂紋開始出現(xiàn)，但并未出現(xiàn)宏觀開裂和擴(kuò)展；當(dāng)STATUSXFEMgt;1時，此時損傷累積已經(jīng)超過臨界值，宏觀裂紋正式張開擴(kuò)展。

提取不同層間接觸形式下的層間作用力如下頁圖5所示，其中有黏層油的情況觀察其層間黏性的剛度退化率CSDMG，沒有黏層油的情況使用行車方向?qū)娱g接觸作用力CSHEAR2未噴灑黏層油，當(dāng)層間強(qiáng)度為0.3 MPa時，層間承受的最大剪應(yīng)力為0.264 5 MPa，而隨著層間強(qiáng)度的提高，這種剪應(yīng)力將保持不變；噴灑黏層油，當(dāng)層間強(qiáng)度達(dá)到0.4 MPa時，層間就不會出現(xiàn)黏性失效和滑移現(xiàn)象。

3"瀝青路面工程實(shí)測分析

本文依托廣西某公路瀝青路面工程實(shí)例，針對數(shù)值仿真中所得到的相關(guān)結(jié)論，進(jìn)行新建路面材料的參數(shù)匹配和工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過室內(nèi)測試與現(xiàn)場的追蹤調(diào)查研究顯示，乳化瀝青的相關(guān)性能指標(biāo)，粘附性達(dá)2 MPa、粒徑分布均勻、稠度為700～800 cp、力學(xué)性能指標(biāo)良好。在現(xiàn)場測試中，通過應(yīng)力應(yīng)變片、傳感器和采集分析一起，針對公路瀝青路面，進(jìn)行相關(guān)的滑移裂縫檢測、路面狀態(tài)監(jiān)測。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果得到了相互驗(yàn)證，上面層厚度對發(fā)生層間滑移前的瀝青路面所受的裂縫應(yīng)力影響不大，但是對發(fā)生層間滑移后的路面影響巨大，并且上面層厚度越大影響越小。另外，增大上面層厚度可以有效降低層間作用力，可以有效預(yù)防層間滑移病害。故結(jié)合仿真結(jié)果，應(yīng)該在考慮經(jīng)濟(jì)因素的同時，保證上面層厚度最小應(yīng)≥4 cm。

定量驗(yàn)證的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，層間噴灑黏層油之后會使瀝青路面表層受力得到一定程度的降低；當(dāng)層間強(qiáng)度為0.3 MPa之后，層間粘結(jié)失效情況不再發(fā)生惡化；使用層間黏層油并提高層間強(qiáng)度可以改善瀝青路面表層滑移裂縫破壞情況。

對于造成瀝青路面U形滑移裂縫拓展底部滑移裂縫的主要原因縱向拉應(yīng)力，各影響因素的影響程度排序?yàn)椋狠S載gt;層間強(qiáng)度gt;上面層厚度gt;上面層彈性模量；對于造成瀝青路面U形滑移裂縫拓展兩側(cè)剪切型滑移裂縫的主要原因剪應(yīng)力，各影響因素的影響程度排序?yàn)椋荷厦鎸訌椥阅Ａ縢t;上面層厚度gt;軸載gt;層間強(qiáng)度。對此，可為后續(xù)瀝青路面的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更多的理論支撐和工程參考。

4"結(jié)語

本文以廣西某瀝青路面為研究對象，采用擴(kuò)展有限元法和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探討了瀝青路面滑移裂縫的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的工程指導(dǎo)建議。

（1）研究發(fā)現(xiàn)，垂直荷載和水平荷載對滑移裂縫擴(kuò)展具有互相抑制的作用。在車輛制動時，滑移裂縫的擴(kuò)展受軸載影響，裂縫類型為Ⅱ型滑移裂縫。同時，在制動瞬間，裂縫深度越短，對裂縫的擴(kuò)展越不利。此時裂縫類型為由Ⅰ型開裂主導(dǎo)的Ⅰ～Ⅱ混合型裂縫。

（2）試驗(yàn)跟蹤測試結(jié)果表明，在層間噴灑黏層油后，瀝青路面表層受力會得到一定程度的降低。當(dāng)層間強(qiáng)度為0.4 MPa時，層間粘結(jié)失效情況不再發(fā)生惡化。此外，使用層間黏層油并提高層間強(qiáng)度可以改善瀝青路面表層滑移裂縫破壞情況。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，瀝青路面U形滑移開裂底部滑移裂縫的主要原因是縱向拉應(yīng)力。各影響因素的影響程度排序?yàn)椋狠S載gt;層間強(qiáng)度gt;上面層厚度gt;上面層彈性模量。而剪切型滑移裂縫的主要影響程度排序?yàn)椋荷厦鎸訌椥阅Ａ縢t;上面層厚度gt;軸載gt;層間強(qiáng)度。這些研究結(jié)果可為后續(xù)瀝青路面的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更多的理論支撐和工程參考。

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