灌漿修復帶裂縫瀝青路面力學性能分析

張　俊,　汪　權(quán),　王　芳,　程夢成

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥　230009; 2.安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥　230601; 3.浙江工程建設(shè)監(jiān)理公司,浙江 杭州　310012)

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灌漿修復帶裂縫瀝青路面力學性能分析

張俊1,汪權(quán)1,王芳2,程夢成3

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009; 2.安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥230601; 3.浙江工程建設(shè)監(jiān)理公司,浙江 杭州310012)

瀝青路面裂縫是瀝青道路的常見病害,通過高聚物灌漿修復法可以快速有效地對路面裂縫進行修復。文章應用有限元軟件ABAQUS引入奇異單元建立三維20節(jié)點等參元模型,并對開裂修復前后的瀝青道路進行力學分析,計算瀝青道路在車輪荷載偏載、熱力耦合等工況作用下的面層拉應力；利用用戶子程序模擬車輛動荷載,對修復后裂縫尖端的應力強度因子進行分析。結(jié)果表明,通過高聚物灌漿可以有效修復開裂的瀝青面層,降低面層的拉應力和基層的應力強度因子值,防止瀝青道路在正常設(shè)計荷載作用下發(fā)生破壞,延長其使用壽命。

瀝青道路;裂縫;高聚物灌漿;應力強度因子;ABAQUS軟件

瀝青道路具有強度高、造價低、整體性好、舒適性優(yōu)良及使用壽命長等一系列優(yōu)點,在國內(nèi)外的現(xiàn)代城市道路中得到了廣泛的應用。但是這種路面結(jié)構(gòu)也有其不足之處,即瀝青材料對溫度、濕度比較敏感,瀝青道路在強度形成的過程中以及后期的運營期間易于產(chǎn)生裂縫。裂縫不僅破壞了道路的完整性與舒適性,更為嚴重的是裂縫的存在使得路表雨水可能通過裂縫滲入土基,大大削弱了土基的強度與穩(wěn)定性,從而導致瀝青道路過早破壞。針對這一問題國內(nèi)外學者進行了廣泛的研究。文獻[1-4]基于線彈性斷裂力學理論,將瀝青混凝土視為線彈性材料,對其含表面裂縫或基層反射裂縫的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)進行了力學分析。文獻[5-9]對高聚物注漿法修補帶裂縫的瀝青路面進行了研究,分析了修復工藝以及高聚物的組分對修復效果的影響,研究表明采用該方法及時進行修復可以延長道路的使用壽命。本文利用有限元軟件ABAQUS對開裂的瀝青道路進行三維模擬,引入奇異單元模擬裂縫尖端,計算瀝青面層的最大拉應力,將數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)范容許值進行對比,分析高聚物灌漿修復技術(shù)對改善開裂瀝青路面受力特性的效果。同時依據(jù)斷裂力學理論,計算修復后的瀝青道路在不同軸載及不同速度的移動荷載作用下,裂縫尖端的應力強度因子,分析修復后的裂縫是否會繼續(xù)失穩(wěn)擴展破壞。

1　瀝青路面結(jié)構(gòu)計算模型

1.1路面結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

在安徽省某瀝青高速路段的實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn),該公路的瀝青面層出現(xiàn)了較多的貫通性橫縫,并且裂縫延伸至上基層(上基層全開裂),導致上基層出現(xiàn)脫空區(qū),脫空區(qū)垂直于行車方向。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,脫空區(qū)的截面均值為40 cm×2 cm,如圖1所示。

路面結(jié)構(gòu)及材料性能參數(shù)見表1所列。

圖1　帶裂縫與脫空區(qū)路面結(jié)構(gòu)示意圖

層位材料名稱厚度/cm彈性模量/MPa泊松比阻尼太陽輻射吸收率路面發(fā)射率密度/(kg·m-3)導熱率/(J·m-1·h-1·℃)熱容量/(J·kg-1·℃-1)上面層AC13420000.350.90.900.8123004680924.9中面層AC20618000.350.90.900.8123004680924.9下面層AC25612000.350.90.900.8123004680924.9上基層CTB1816000.200.80.900.8120005616911.7中基層ATB1812000.350.90.900.8120005616911.7下基層CTB1816000.200.80.900.8120005148942.9底基層CS207000.200.40.900.8118405148942.9基礎(chǔ)層SG200400.400.40.470.81180056161040.0修復層聚氨酯2700.400.40.650.7325043201500.0

1.2建立模型

本文分析的路況為瀝青路面在車輛荷載、溫度以及雨水等因素作用下出現(xiàn)了面層的貫通性裂縫,并擴展到上基層,在上基層上形成了脫空區(qū)。

本文分別采用實體單元縮減積分C3D20R和C3D8R來建立瀝青路面結(jié)構(gòu)三維靜態(tài)和動態(tài)分析模型。C3D20R模擬奇異單元,能夠更精確地計算單元應力應變分量,靜態(tài)模型利用ABAQUS/Standard求解面層應力。動態(tài)模型在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上添加材料密度及阻尼,繪制荷載移動帶并將單元更改為C3D8R,利用ABAQUS/Explicit求解應力強度因子。

路面結(jié)構(gòu)在水平方向取6 m,深度方向取2.9 m。對于裂縫特殊結(jié)構(gòu)的模擬,由于常規(guī)有限元在靠近裂尖處難以正確反映裂縫尖端應力場的奇異性,故在裂縫尖端需設(shè)置奇異單元。三維裂縫尖端的奇異單元采用20結(jié)點的六面體所退化的五面體單元,將中間結(jié)點移置于靠近裂縫尖端1/4邊長時,滿足裂縫尖端的r-1/2奇異性[10]。采用ABAQUS模擬的開裂路面有限元模型如圖2所示。

圖2　ABAQUS三維結(jié)構(gòu)模型

作用于路面的車輛荷載采用標準軸載BZZ-100。輪胎接地壓強為0.7 MPa,單輪傳壓面當量圓直徑為21.30 cm。

為便于建模,接觸面積可簡化為等寬的單一矩形0.871 2L×0.6L,其中L=260 mm,即作用面積為0.226 m×0.156 m,雙輪中心距為32 cm。邊界條件為底面固定,左右兩面約束x方向位移,前后兩側(cè)約束y方向位移。

車輛荷載加載考慮最不利布置情況,即偏載作用,考慮標準軸載和超載30%(即輪胎接地壓強由0.7 MPa增大到0.91 MPa)2種軸載情況,布載位置如圖3所示。

圖3　車輛偏載及裂縫區(qū)域分布圖

2　瀝青路面面層應力分析

(1) 軸載作用。修復前將模型離散化后,根據(jù)對各結(jié)構(gòu)層的假定約束條件,考慮路面在車輛標準軸載和超載30%作用下,在最不利荷載位置處施加荷載,進行求解。修復后的模型將高聚物的材料屬性賦予脫空區(qū),其他參數(shù)不變,在同樣荷載工況下進行計算。

經(jīng)過有限元軟件計算,得到路面結(jié)構(gòu)在修復前后瀝青面層各單元的最大拉應力以及最大剪應力,見表2、表3所列。

修復前后面層各單元的最大拉應力對比曲線如圖4所示。

(2) 軸載與溫度共同作用?？紤]車輪荷載和溫度共同作用,其中車輪采用標準軸載和超載30% 2種工況,氣溫為安徽地區(qū)夏季一天24 h代表值,最高溫度為38.7 ℃,最低溫度為21.3 ℃。

利用ABAQUS軟件進行溫度場分析,得到全天的溫度場數(shù)據(jù)。由于溫度越高對瀝青公路的力學特性影響越大,因此將一天中氣溫最高的時段所對應的溫度數(shù)據(jù)分析步與車輛軸載作用進行耦合計算,所對應的路面結(jié)構(gòu)的溫度云圖如圖5所示。

計算得出路面結(jié)構(gòu)在車輛偏載與溫度共同作用下,修復前后瀝青面層的最大拉應力與最大剪應力,見表2、表3所列。

修復前后面層各單元的最大拉應力對比曲線如圖6所示。

表2　標準軸載作用下修復前后瀝青路面面層應力　MPa

表3　超載作用下修復前后瀝青路面面層應力　MPa

圖4　標準軸載和超載30%作用下面層最大拉應力

圖5　路面結(jié)構(gòu)溫度場云圖

圖6　標準軸載、超載30%與溫度共同作用下面層最大拉應力

(3) 瀝青面層容許拉應力計算。由JTGD 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定可得出瀝青面層容許拉應力σR為:

(1)

其中,σR為瀝青混凝土面層的容許拉應力;σS為瀝青混凝土在15 ℃時的劈裂強度,取1.0 MPa;KS為抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。對瀝青面層有:

(2)

其中,Ne為設(shè)計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次,查設(shè)計文件Ne=2 566 396次;AC為公路等級系數(shù),高速公路取1.0。將AC、Ne值代入(2)式得KS=2.1,進而可求得瀝青面層的最大容許拉應力σR=0.476 MPa。

由表2、表3可知,通過高聚物灌漿修復后瀝青面層的最大拉應力和最大剪應力在標準軸載作用下分別降低了88.12%、42.4%;在標準軸載和溫度熱力耦合作用下分別降低了70.7%、36.7%;在超載30%作用下分別降低了87.14%、56.23%;在超載30%和溫度熱力耦合作用下分別降低了74.13%、33.08%。由此可知灌漿修復技術(shù)能夠較好地改善路面受力性能。

瀝青路面在熱力耦合作用下面層的應力值大于車輪荷載單獨作用下的應力值。瀝青面層在標準軸載和超載30%作用下,修復前考慮熱力耦合時最大拉應力分別增加了1.7%、5.9%;最大剪應力分別增加了0.47%、8.3%。修復后考慮熱力耦合時最大拉力分別增加了59.8%、53.2%;最大剪應力分別增加了9.45%、13.8%?？梢?修復后的瀝青面層的應力在溫度作用下顯著增加。這表明灌漿修復后瀝青面層得到了很好的約束作用,裂縫得到修補,開裂區(qū)域恢復了完整性。

修復后瀝青面層最大拉應力為0.372 MPa,發(fā)生在超載30%和溫度熱力耦合作用下,小于其最大容許拉應力0.476 Mpa。表明灌漿修復后的瀝青道路在熱力耦合作用下仍能正常工作,不會開裂。

3　瀝青路面基層應力強度因子分析

瀝青路面的拉應力除了要滿足小于規(guī)范最大容許拉應力要求外,還需確定由瀝青路面擴展到基層的裂縫尖端是否會繼續(xù)擴展并導致基層破壞。建模時對修復后的裂縫保留5 mm的裂縫尖端進行應力強度因子分析,確定修復后的瀝青公路能否繼續(xù)安全使用。

3.1計算理論及模型建立

為了研究修復后裂縫在車輛移動荷載作用下的擴展規(guī)律,根據(jù)實際情況分析車輛通過裂縫區(qū)域時裂縫尖端的強度因子K值。由于該裂縫為橫向裂縫,車輛駛過時,當裂縫處于偏載作用時對路面結(jié)構(gòu)最為不利。根據(jù)斷裂力學可知,當裂縫區(qū)域處于偏載作用時,其裂縫類型為剪切型裂縫，也稱為Ⅱ型裂縫。與此相對應的裂縫尖端附近的應力場[10]可表示為:

(3)

(4)

(5)

其中,KⅡ為剪切型應力強度因子;r、θ為裂縫尖端附近單元以裂縫尖端為坐標原點的極坐標。令r=0、θ=0，即可得到剪切型應力強度因子的計算公式為:

(6)

進一步變換可得:

(7)

其中,u(t)為車輛在不同位置時所對應的裂縫尖端位移值;E為彈性模量;μ為泊松比。

為了模擬路面的實際受力情況,本文考慮車輛從路面結(jié)構(gòu)模型的一端勻速駛過裂縫區(qū)域再駛向模型另一端的過程。采用ABAQUS的用戶子程序VDLOAD來編寫車輛移動荷載,通過子程序可以實現(xiàn)對移動荷載的速度和車輪荷載大小的控制。

本文取汽車車速為72 km/h(工況Ⅰ)和108 km/h(工況Ⅱ)2種工況。所取的模型長度為6 m,當車速為72 km/h時,需要0.3 s完全通過,車速為108 km/h時,需要0.2 s完全通過。

模型計算完后取出各分析步對應的裂縫尖端的水平方向位移值u,根據(jù)(7)式計算得出車輪在相應的位置時裂縫尖端的強度因子KⅡ值,見表4所列。當車輪距離裂縫不同位置時不同軸載與車速下的裂縫尖端應力強度因子對比值如圖7、圖8所示。

表4　不同工況下裂縫尖端的應力強度因子KⅡ　10-3 MPa·m1/2

圖7　72、108 km/h時不同軸載下裂縫尖端強度因子

3.2計算結(jié)果分析

由圖7、圖8可知,裂縫區(qū)域的KⅡ隨時間的變化存在一定的振蕩現(xiàn)象,與荷載位置變化趨勢基本一致。但當車輪位于裂縫正上方時KⅡ接近于0,當車輪遠離裂縫區(qū)域,距離裂縫區(qū)域約0.5 m時,KⅡ達到最大值,表明這種振蕩變化與車輪作用位置并不一致,存在一定的滯后現(xiàn)象,這種滯后現(xiàn)象是由于瀝青材料的慣性所致。

由表4可知,一般情況下KⅡ的大小隨著軸載的增大而增大,隨車速的增大而減小。然而不同的材料具有不同的斷裂韌度KⅡC,當裂縫尖端的應力

圖8　標準軸載、超載30%時不同車速下裂縫尖端強度因子

場增加到KⅡC時,即使外荷載不再增加,裂縫也會迅速失穩(wěn)擴展而導致路面結(jié)構(gòu)斷裂破壞。

由于根據(jù)實驗確定KⅡC較為困難,但張開型裂縫的斷裂韌度KⅠC較容易由實驗得出,根據(jù)有關(guān)實驗資料[11]瀝青基層ATB的KⅠC一般為0.05～0.08 MPa·m1/2。因此,可將KⅡ轉(zhuǎn)化為混合型應力強度因子K*,再由復合型斷裂依據(jù)判定。

由最大周向應力斷裂條件[12]可得:

(8)

其中,θ*為裂縫擴展方向,其計算公式為:

(9)

在純剪切情況下KⅠ=0,θ*≈-70.5°，由此可得K*≈1.15KⅡ。由表4可知,2種車速工況下KⅡ最大值為0.016 49 MPa·m1/2，即K*=0.019 MPa·m1/2,遠小于瀝青基層的斷裂韌度。由此可以看出,在本文考慮的移動車輛荷載作用下,修復后瀝青路面的基層裂縫不會再發(fā)生失穩(wěn)擴展。

4　結(jié)　　論

(1) 瀝青面層出現(xiàn)裂縫時,裂縫處產(chǎn)生應力集中,裂縫尖端為最不利受力位置,如不及時進行有效修復,在荷載作用下裂縫會迅速擴展,導致路面產(chǎn)生更嚴重的損害。

(2) 灌漿修復技術(shù)不僅能夠快速高效地修復裂縫,還能夠填補由于雨水侵入裂縫導致上基層產(chǎn)生的脫空區(qū),防止瀝青路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞,延長使用壽命。

(3) 車輪軸載、外界環(huán)境以及材料屬性都對瀝青面層的應力分布產(chǎn)生影響,利用子程序?qū)鉁?、太陽輻射及對流交換等因素加以考慮,進行溫度場分析,將所得溫度場與車輛荷載進行耦合,建立的模型接近瀝青公路的實際受力情況,得到的瀝青面層的應力值也與實際情況較為吻合。

(4) 灌漿技術(shù)在修復瀝青路面裂縫時，施工質(zhì)量會因操作人員的技術(shù)水平以及現(xiàn)場因素影響而改變,修復后并不一定能完全封住裂縫,建模時對修復后的裂縫保留5 mm的裂縫尖端進行強度因子分析,得出KⅡ小于基層的斷裂韌度,修復后的裂縫尖端不會失穩(wěn)擴展。

(5)KⅡ的大小隨車輪軸載的增大而增大,隨著車速的增大而減小,相同軸載下,車速越小KⅡ越大。因此經(jīng)修復或已受損的瀝青公路應該更加嚴格的對車輛進行管控,限制低速重載車的通行。

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(責任編輯張镅)

Analysis of mechanical property of asphalt pavement with crack repaired by grouting

ZHANG Jun1,WANG Quan1,WANG Fang2,CHENG Mengcheng3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China; 3.Zhejiang Construction Supervision Co., Ltd., Hangzhou 310012, China)

Surface crack is a common problem of asphalt pavement, and it can be efficiently repaired by polymer grouting. In this paper, the three-dimensional 20-node isoparametric elements model was built by introducing singular element using finite element software ABAQUS in order to conduct the mechanical analysis of asphalt pavement before and after repairing. The tensile stress of asphalt layer under the conditions of offset load, thermo-mechanical coupling, etc was calculated. The vehicle dynamic load was simulated by user subroutine to analyze the stress intensity factor of crack tip after repairing. The results show that the cracks of asphalt layer can be efficiently repaired by polymer grouting, and the tensile stress of asphalt layer and the stress intensity factor of subbase course can be reduced, which can avoid damage of asphalt pavement under normal load so as to prolong its service life.

asphalt pavement; crack; polymer grouting; stress intensity factor; ABAQUS software

2015-03-03；

2015-09-14

國家自然科學基金資助項目(51408005)

張俊(1990-),男,安徽桐城人,合肥工業(yè)大學碩士生;

汪權(quán)(1981-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.016

U416.217

A

1003-5060(2016)07-0943-06