瀝青混凝土路面裂縫的研究現(xiàn)狀

劉曉豐 陳松潔

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南 長沙 410075）

瀝青混凝土路面裂縫的研究現(xiàn)狀

劉曉豐 陳松潔

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南 長沙 410075）

簡要介紹了瀝青路面使用現(xiàn)狀及主要問題，有限元通用程序和有限單元應(yīng)力強度因子法在瀝青混凝土路面及瀝青路面裂縫結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，并對瀝青路面結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展方向進行預(yù)測。

瀝青混凝土路面；有限單元法；斷裂力學(xué)

（一）瀝青路面使用現(xiàn)狀和問題

目前我國高速公路通車?yán)锍?萬多公里，其中瀝青路面占了85%。由于瀝青路面在物理特性、行車舒適度、后期維護、環(huán)保等方面具有明顯優(yōu)勢。瀝青路面風(fēng)噪聲小，對車子胎面磨損小，同時瀝青路面韌性、抗壓性和拉伸性好，適應(yīng)不穩(wěn)定地基等，使瀝青混凝土路面在高等級公路路面建設(shè)中較多采用。隨著交通量的迅猛發(fā)展和超載現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，瀝青路面的破壞越來越嚴(yán)重，主要表包括開裂、車轍、凹陷和松散等。其中路面開裂是世界各國瀝青路面使用中均會遇到的主要病害之一，有交通荷載和溫度應(yīng)力引起的路面開裂是瀝青路面早期破壞的主要形式之一，其分布十分普遍，無論冰凍地區(qū)，還是非冰凍地區(qū)，只是各自的開裂嚴(yán)重程度不同而已。根據(jù)開裂的原因，可以把瀝青路面裂縫分為荷載型裂縫和溫度型裂縫；從裂縫擴展方向上可以分為傳統(tǒng)疲勞裂縫和反射裂縫。由于裂縫引起的路面病害已經(jīng)嚴(yán)重影響瀝青路面的使用性能，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展也破壞了原有路面的連續(xù)性和整體性，隨著表面雨水的侵入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層和土基的含水量加大，降低路面的強度，在大量行車荷載的反復(fù)作用下，很快使路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，影響道路的使用壽命，同時也提高了瀝青路面養(yǎng)護維修成本。

（二）有限單元法及其在瀝青路面中的應(yīng)用

在對瀝青路面裂縫的研究分析中，主要采用有限元數(shù)值分析分析方法，通過建立有限單元法是綜合現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論、計算方法、計算機技術(shù)等學(xué)科的最新知識，發(fā)展起來的一種新興技術(shù)。有限單元法的基本思想是將問題的求解域離散化，得到有限個單元，單元彼此之間僅靠節(jié)點相連。在單元內(nèi)假設(shè)近似解的模式，通過適當(dāng)方法，建立單元內(nèi)部點的待求量與單元節(jié)點量之間的關(guān)系。采用有限元法解題基于以下幾個方面的假設(shè)：

1.結(jié)構(gòu)理想化：即把結(jié)構(gòu)物抽象為相當(dāng)?shù)牧W(xué)模型。

2.結(jié)構(gòu)離散化：即用假想的線把結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元，各單元僅在邊界上的節(jié)點相連接。

3.規(guī)定單元的位移模式，并用基本未知數(shù)---節(jié)點位移來表示，該位移模式能唯一的確定單元的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)，且能夠滿足結(jié)構(gòu)連續(xù)性條件。

4.荷載和約束處理：把作用在外界上的外荷載，按照靜力等效原則移置為相應(yīng)節(jié)點上的力系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力與平衡情況，確定各邊界條件與對稱條件。具體分析過程是將道路看作一個連續(xù)體或幾個連續(xù)體通過接觸面相連的整體(其中的每一層為連續(xù)體)。將這些連續(xù)體分割成有限個單元，并在每個單元上指定有限個節(jié)點，一般可以認(rèn)為相鄰單元在節(jié)點上連結(jié)構(gòu)成一組單元的集合體，用模擬或逼近求解區(qū)域進行分析。同時，選定場函數(shù)的節(jié)點值(例如將節(jié)點位移)作為基本未知量；根據(jù)分塊近似的思想這，對每個單元假設(shè)一個簡單的函數(shù)，近似地表示其位移的分布規(guī)律；再利用彈塑性理論中的變分原理或其他方法,建立單元節(jié)點的力和位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以節(jié)點位移為未知量的方程組,從而求解節(jié)點的位移分量。一經(jīng)解出,就可利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么，隨著單元尺寸的縮小，求解區(qū)域內(nèi)單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷改進，近似解最終將收斂于精確解。由于有限元法采用矩陣形式表達，便于編制計算機程序,可以充分利用高速計算機所帶來的方便。目前，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件已達幾百種，其中著名的有：ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP等。

越來越多的研究者利用有限元軟件對瀝青路面的各種參數(shù)進行分析，楊榮山和艾長發(fā)以ANSYS軟件對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的柔性路面和半剛性路面進行力學(xué)響應(yīng)進行分析，討論兩者的承載能力問題，并分別對瀝青面層、基層及底基層的拉、壓應(yīng)力進行了分析和討論；胡小弟等人采用ANSYS，分析了三維柔性基層和半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，在不同的車型荷載及其不同荷載分布情形下力學(xué)響應(yīng)的差異；陳靜等人針對結(jié)構(gòu)為瀝青混合料面層、粒料基層和土基的3層柔性路面體系，建立了路面在車輛動載作用下的有限元分析模型，并應(yīng)用ANSYS有限元軟件對層狀路面在動載作用下路面的動態(tài)響應(yīng)進行三維有限元分析，結(jié)果表面，路面的疲勞破壞是動載引起的水平應(yīng)力、橫向應(yīng)力和垂直應(yīng)力共同作用的結(jié)果，水平應(yīng)力的交變變化是使路面產(chǎn)生疲勞破壞的主要因素。王繼林等人利用ANSYS對舊水泥路面加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)進行三維建模和定量分析評價，通過對荷載位置、瀝青罩面層厚度和材料的模量變化進行多次模擬后，總結(jié)出路面罩面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案；符冠華等人利用ALGOR91，采用三維有限元靜力分析方法，計算分析了具有接縫的舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層在行車荷載和溫度變化作用下應(yīng)力的變化情況，從理論上深入研究了應(yīng)力吸收夾層和加筋夾層在不同情況下防治反射裂縫的效果，提出了兩種夾層的模量推薦取值；周行春等以有限單元法為基礎(chǔ)，考慮平面8節(jié)點等參元分析了軟土地基容許工后不均勻沉降指標(biāo)對路面應(yīng)力響應(yīng)的影響，提出了軟基容許工后不均勻沉降指標(biāo)；岳福青等利用平面應(yīng)變有限單元法，探討了計算路基不均勻沉降和由此引起的路面附加應(yīng)力的計算方法，并將其運用于路面加寬設(shè)計中。

（三）斷裂力學(xué)有限元法在瀝青路面結(jié)構(gòu)裂縫分析中的應(yīng)用

斷裂力學(xué)是研究含裂縫的構(gòu)件在各種環(huán)境下（包括荷載作用、溫度變化、濕度變化等）裂縫的平衡、擴展和失穩(wěn)規(guī)律的一門學(xué)科。按照他們在荷載作用下擴展形式的不同，可以分為3種基本類型：張開型( I型) 、剪切型裂縫(II型) 、撕開型裂縫(III型)。在道路工程中，僅涉及到I型和II型裂縫。根據(jù)線彈性斷裂理論，I 型裂紋尖端區(qū)域的位移場可表示為：

同樣，對于II型裂紋，裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力場和位移場的形式也是恒定的，II型裂紋的應(yīng)力強度因子用KII表示，由斷裂力學(xué)解析解，可得II型裂紋尖端附近的應(yīng)力場和位移場為：

王宏暢等研究人員采用斷裂力學(xué)理論，應(yīng)用大型商業(yè)通用有限元軟件ABAQUS對半剛性基層的底裂縫及表面裂縫產(chǎn)生的各影響因素進行力學(xué)分析，為黃土地區(qū)及全國半剛性基層路面的設(shè)計和施工提供一定設(shè)計演算參考；黃均平和肖遠見采用線彈性斷裂力學(xué)的方法，討論了權(quán)函數(shù)法確定路面應(yīng)力強度因子的準(zhǔn)確性問題，并利用ABAQUS進行計算機模擬，將彎曲應(yīng)力和彎沉與Westergard理論解和CHEVRON計算程序模擬結(jié)果進行比較，得出了3種比較一致的結(jié)論，而CHEVRON計算程序所得結(jié)果與AASHO路面測試結(jié)果相一致，這也說明權(quán)函數(shù)法計算路面應(yīng)力強度因子是準(zhǔn)確可靠的；周志剛等利用線彈性斷裂力學(xué)的平面有限元法模擬加筋材料的薄膜單元，對土工加筋材料阻止瀝青路面反射裂縫的橋聯(lián)增韌效應(yīng)進行了分析；彭妙娟等人用有限元法對西安到三原一級公路模型在溫度和荷載共同作用下的應(yīng)力和裂縫尖端的應(yīng)力強度因子進行了計算，估算了疲勞壽命，討論了西三線半剛性基層瀝青路面的開裂機理；岳福青和楊春風(fēng)運用ANSYS計算了半剛性基層瀝青路面溫縮反射裂縫尖端的應(yīng)力強度因子，并對影響其大小的各因素進行了敏感性分析，結(jié)果表明：基層和面層的模量、溫縮系數(shù)增大會不同程度的導(dǎo)致裂縫尖端應(yīng)力強度因子的增大；而增加面層厚度能有效降低溫縮裂縫尖端強度因子。同時還研究了行車荷載與溫度荷載耦合作用下裂縫尖端應(yīng)力場的強度特征，在這2種荷載共同作用時的裂縫擴展為復(fù)合型擴展。孫雅珍和趙穎華利用粘彈性與損傷的分析理論，應(yīng)用ANSYS提供的宏命令和FORTRAN編制的程序結(jié)合起來對含反射裂縫瀝青路面進行了三維粘彈性有限元分析，模擬了裂縫的擴展過程，得到了不同加載時間和不同變溫的裂縫擴展情況；三種變溫條件下，對損傷區(qū)和斷裂區(qū)定量分析表明，當(dāng)氣溫低于-20℃時，路面劣化加劇。探討了不同初始裂縫長度對路面劣化的影響，結(jié)果表明，初始裂縫長度對路面劣化影響顯著；損傷因子和裂縫長度的變化趨勢相似，均可以用來評價路面的疲勞壽命。

（四）結(jié)束語

有限元軟件的出現(xiàn)為瀝青路面的力學(xué)分析提供了一個強有力的工具，它避免了復(fù)雜的解析推導(dǎo)，可以很方便地模擬道路材料的各種非線性，考慮有限尺寸的路面結(jié)構(gòu)，考慮任意的輪載形式，彌補了多層彈性理論體系的不足，可以預(yù)見這些大型通用有限元軟件在未來路面計算中起到不可估量的作用；斷裂力學(xué)在道路工程中的應(yīng)用也得到了重視，將斷裂力學(xué)與有限元方法結(jié)合應(yīng)用于瀝青路面裂縫擴展分析成為一種新思路，目前國內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)嘗試從斷裂力學(xué)的角度對裂縫擴展問題進行分析，從而采取相應(yīng)的防治瀝青路面裂縫措施用以指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程實際。

[1] 彭妙娟,張登良.半剛性基層瀝青路面的斷裂力學(xué)計算方法及應(yīng)用[J].中國公路學(xué)報,1998,11.

[2] 洪花,樸雄偉,等.斷裂力學(xué)在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008.

[3] 范天佑.斷裂力學(xué)基礎(chǔ)[M].江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1978.

U416.2

A

1008-1151(2010)04-0090-02

2010-01-18

劉曉豐（1983－），男，湖南婁底人，中南大學(xué)土木建筑學(xué)院在讀碩士，研究方向為瀝青混凝土路面載裂縫有限元分析。