路面反射裂縫影響規(guī)律及處治措施效果評價

焦 一，馮 曉，張淑雅，裴鑫雨，楊秀永

(1. 重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院 重慶市 400000； 2.秀山公路局 秀山縣 409900)

優(yōu)良的路面技術(shù)狀況是營運高速公路維持較高服務(wù)水平的重要基礎(chǔ)。在營運高速公路瀝青路面的大中修養(yǎng)護中，路面反射裂縫由于其裂縫開裂層位深、裂縫寬度大、裂縫間距小等特點，一直以來都是導(dǎo)致路面技術(shù)狀況下降的主要病害類型。

以典型營運高速公路的路面結(jié)構(gòu)為研究對象，從路面結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析反射裂縫的影響規(guī)律，通過疲勞試驗對比不同抗裂材料的抗裂效果，并通過實際跟蹤觀測匯總分析大流量重載交通條件下不同養(yǎng)護維修方案的保存壽命。

1 反射裂縫成因分析

反射裂縫形成的原因主要是半剛性基層開裂，由于此類材料會在外界溫度以及濕度發(fā)生較大變化時出現(xiàn)收縮甚至造成開裂的現(xiàn)象，因此，水會沿著縫隙流入到路面內(nèi)部，造成半剛性基層頂面發(fā)生水軟化層現(xiàn)象，這降低了面層和基層的聯(lián)結(jié)，同時在動水壓力下容易出現(xiàn)基層唧泥現(xiàn)象，由此造成基層無法良好地傳遞行車荷載，進而導(dǎo)致瀝青面層發(fā)生較為明顯的開裂[1]。

2 反射裂縫影響因素分析

為了準確分析瀝青面層反射裂縫的影響規(guī)律，運用ABAQUS建立符合路面實際工況的三維有限元模型，對行車荷載作用下基層開裂處瀝青結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力狀態(tài)進行分析。

2.1 計算模型與計算參數(shù)

(1)模型參數(shù)

參照雙向四車道高速公路路面結(jié)構(gòu)形式設(shè)置模型參數(shù)見表1。模型結(jié)構(gòu)尺寸方面，為了保證路面的受力完整性，在模型中設(shè)置基礎(chǔ)，基礎(chǔ)為半無限大空間地基的特征，采用擴大基礎(chǔ)的形式。其中，選取面層厚度和基層裂縫寬度為可變參數(shù)。

表1 模型參數(shù)

(2)邊界條件

在ABAQUS有限元模型中，應(yīng)力邊界的差異對求出的模型中各個單元的應(yīng)力和位移的影響很大。所以為了保證求解過程的準確性和求解精度，本次ABAQUS有限元計算模型采用水平方向的邊界約束。

除了設(shè)定計算模型的邊界條件之外，考慮到路面結(jié)構(gòu)層狀的特點，還需要設(shè)定層間基礎(chǔ)條件?；趯娱g接觸完全連續(xù)的基本假設(shè)，在ABAQUS有限元中，可以選用tie、rough、層間剖分三種層間接觸條件都能實現(xiàn)。但三種條件存在一定的區(qū)別，rough層間接觸條件要占用更多 CPU 時間。在分層體系結(jié)構(gòu)的仿真中，層間完全連續(xù)的層間接觸可以直接連接到一個部分與領(lǐng)帶的建立。但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了方便處理，采用綁扎連接將不同部分之間連接在一起。

(3)加載方式和位置

用ABAQUS有限元計算模型的荷載選取標準交通軸載 BZZ-100，同時取0.7MPa的輪胎內(nèi)壓。按照既定的荷載應(yīng)力等效原則，將標準交通軸載等效換算成相對簡單的方形載荷。

通過對比分析不同行車荷載對應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值，我們能夠得知：若荷載為處于特定的橫縫、縱縫相交板區(qū)域的偏荷載時，為最不利的荷載應(yīng)力位置，將對瀝青面層最不利的荷載應(yīng)力位置作為ABAQUS有限元計算模型的荷載加載位置[2]。

(4)網(wǎng)格劃分

應(yīng)該適度地加密模型中重要部位的網(wǎng)格，如計算模型中應(yīng)力較大的位置、荷載作用的位置，而對于計算模型中的其他部位，則可以擴大其它位置的網(wǎng)格。

2.2 面層結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析

通過ABAQUS有限元建立計算模型，對不同厚度下結(jié)構(gòu)層的荷載應(yīng)力進行數(shù)值模擬，偏載作用下最不利位置A的應(yīng)力分布狀態(tài)如圖1所示。

圖1 偏載作用下最不利位置處應(yīng)力云圖

為了從路面結(jié)構(gòu)力學(xué)角度研究瀝青厚度和基層裂縫寬度對反射裂縫的影響規(guī)律，在保證計算模量其它參數(shù)為定值的基礎(chǔ)上，將瀝青面層厚度進行適當(dāng)調(diào)整，讓其從原先的18cm增長到22cm，以及基層裂縫寬度0.5cm增加至1cm，分別得出偏載作用下最不利位置A的最大剪應(yīng)力，見圖2。

圖2 A點最大剪應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果

通過模擬信息我們能夠得知：若將瀝青層厚度設(shè)定為18cm，那么與之對應(yīng)的裂縫寬度將為四個目標值，其依次排序為1cm、0.7cm、0.4cm以及0.1cm時，相應(yīng)的最大剪應(yīng)力也將分別為0.112MPa、0.096MPa、0.076MPa以及0.038MPa，不難看出，若裂縫寬度發(fā)生持續(xù)變窄，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯弱化，相對于1cm的裂縫寬度，下降幅度分別為15.3%、32.2%、66.1%。因此，在高速公路養(yǎng)護維修中，縫寬較窄的早期溫縮裂縫，采取罩面加鋪或銑刨重鋪的措施，可以較長時間內(nèi)維持路面技術(shù)狀況；縫寬較寬的反射裂縫，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，處治后會在短時間內(nèi)出現(xiàn)二次開裂的情況，應(yīng)對反射裂縫為典型病害的路段針對性地進行抗裂設(shè)計，抑制反射裂縫的發(fā)展速率。

當(dāng)裂縫寬度為1cm時，瀝青層所對應(yīng)的厚度將為四個目標值，它們分別為18cm、20cm、22cm以及24cm，并且與之對應(yīng)的最大剪應(yīng)力也將各自表示為0.112MPa、0.103MPa、0.088MPa和0.064MPa，瀝青結(jié)構(gòu)層厚度的增加，可以有效弱化開裂處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對于18cm的瀝青厚度，下降幅度分別為9.1%、21.5%、42.9%。目前，營運公路通常采用18cm的瀝青結(jié)構(gòu)層，厚度相對較薄，對于反射裂縫為典型病害的路段，在養(yǎng)護維修類型決策時，應(yīng)優(yōu)先采用罩面加鋪代替銑刨重鋪，逐年增加瀝青結(jié)構(gòu)層厚度，恢復(fù)路面技術(shù)狀況的同時，還可以達到抑制反射裂縫發(fā)展的作用。

綜上所述，隨著厚度的增加和裂縫寬度的減少，最不利位置的最大剪應(yīng)力明顯下降，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱。

3 處治措施及效果評價

通過對反射裂縫影響規(guī)律的分析可以看出，對于反射裂縫為典型病害的路段的養(yǎng)護維修措施，特別是大流量重載交通的營運高速公路，為了延長處治后的使用壽命，保證全壽命養(yǎng)護周期內(nèi)的經(jīng)濟合理，在養(yǎng)護維修措施中鋪設(shè)抗裂材料是必要的。目前用于瀝青路面的抗裂材料種類繁多，主要包括無紡?fù)凉げ肌⑷埘ゲ嫉萚3]。

從材料自身性能出發(fā)，結(jié)合與養(yǎng)護維修方案的適用性對比，對抗裂材料和措施的效果進行評價。

3.1 不同抗裂材料性能對比

采用MTS材料試驗機對鋪設(shè)抗裂材料的試件進行剪切疲勞加載試驗，通過剪切疲勞加載次數(shù)表征無土工材料以及增設(shè)無紡?fù)凉げ?、全聚酯布、聚酯玻纖維布和抗裂貼的抗裂效果。

(1)試驗方案

瀝青面層反射裂縫出現(xiàn)后,通常將會出現(xiàn)2種發(fā)展形式：一種形式為張開型，另一種形式為剪切型，后者產(chǎn)生的幾率較大[4]。因此針對試驗加載應(yīng)力選擇上，選用剪切加載方式。

具體的結(jié)構(gòu)模型為：面層材料將采用改性AC-13混合料，其對應(yīng)的厚度為5 cm，瀝青方面選擇主要以SBS改性瀝青為核心，油石比為4.9%，級配符合既定需求?；鶎訛樗喾€(wěn)定碎石，其對應(yīng)的摻量為4.5%，厚度將設(shè)定在20cm。黏層油選取的是改性乳化瀝青，灑布量設(shè)定為0.6～0.8 kg/m2區(qū)間。針對每組試驗，我們將以標準形式開展3個平行試驗，并取平均值來進行統(tǒng)計，隨后對其展開科學(xué)的系統(tǒng)分析[5]。

(2)結(jié)果分析

采用MTS材料試驗機對無土工材料以及鋪設(shè)無紡?fù)凉げ?、全聚酯布、聚酯玻纖布和抗裂貼的試件分別進行循環(huán)加載，各組試件在循環(huán)荷載作用下所得到的既定加載次數(shù)信息由圖3可知。

圖3 MTS剪切疲勞試驗加載次數(shù)結(jié)果

通過圖3我們能夠得知，由于循環(huán)剪切產(chǎn)生的作用，相比無土工材料，鋪設(shè)無紡?fù)凉げ?、全聚酯布、聚酯玻纖布和抗裂貼，初裂疲勞加載次數(shù)以及終裂疲勞加載次數(shù)都實現(xiàn)了較大程度的提升，而具體來講，前者加載次數(shù)分別提升了 86%、119%、133%、142%，后者加載次數(shù)分別提升了41%、76%、149%、164%，能夠得知，當(dāng)鋪設(shè)了相應(yīng)的抗裂材料之后，由于MTS剪切產(chǎn)生的既定作用，能夠?qū)α芽p位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象實現(xiàn)良好消除，從而再一次促進應(yīng)力的重新分布，如此一來，將能夠?qū)Ψ瓷淞芽p發(fā)展起到良好的抑制作用。

對比抗裂成效，我們能夠得知，抗裂貼消除裂縫處的應(yīng)力集中，其成效最為顯著，特別表現(xiàn)在終裂疲勞加載次數(shù)方面，其相對于鋪設(shè)無紡?fù)凉げ继嵘?7.3%、相對于全聚酯布提升了50.3%、相比于聚酯玻纖布提升了5.9%。但抗裂貼僅適用于單條裂縫的處治，無法應(yīng)用于反射裂縫密集路段的整體性處治。

3.2 抗裂方案設(shè)計及評價

(1)處治的方案設(shè)計

基于抗裂性能的處治方案采用銑刨重鋪并鋪設(shè)聚酯玻纖布的方案，同時選取連片車道式銑刨重鋪的處理方法，根據(jù)銑刨瀝青結(jié)構(gòu)層厚度和聚酯玻纖布鋪設(shè)層位不同，詳細方案有四種：

方案一：銑刨重鋪兩層原瀝青面層，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料，并壓實縫邊。

方案二：銑刨重鋪兩層原瀝青面層，下承面滿鋪聚酯玻纖布，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料，并壓實縫邊。

方案三：銑刨重鋪兩層原瀝青面層，下承面和中上面層間均滿鋪聚酯玻纖布，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料，并壓實縫邊。

方案四：銑刨重鋪三層原瀝青面層，下承面滿鋪聚酯玻纖布，分層回鋪4.5cmSBS改性AC-16C瀝青混合料+5.5cmSBS改性AC-20C瀝青混合料+8cmATB-25瀝青混合料，并壓實縫邊。

(2)抗裂效果評價

為了真實評價四種方案的抗裂效果，對四種處治方案實施后的試驗路段進行跟蹤觀測，由于觀測時間有限，觀測時間內(nèi)未出現(xiàn)裂縫的觀測點出現(xiàn)反射裂縫時間評定為60個月。

通過對實際處治后跟蹤觀測數(shù)據(jù)的結(jié)果，可以得出：采取方案一，處治后原深層裂縫短期內(nèi)快速反射至瀝青表層。

采用鋪設(shè)聚酯玻纖布的處治方式(方案二)，能夠在一定程度上對反射裂縫發(fā)展速率進行良好抑制，然而對于大流量重載交通荷載的路段，也只能維持2年左右。且波動較大，說明當(dāng)原路面深層裂縫縫寬較大時，該方案延緩反射效果有限。

加深銑刨重鋪厚度和鋪設(shè)多雙層聚酯玻纖布的處治方式(方案三和方案四)，可以明顯抑制反射裂縫發(fā)展速率，基本可以使處治后的瀝青面層在一個中修周期內(nèi)不出現(xiàn)二次開裂。

在跟蹤觀測的結(jié)果中，雖然方案4的處治效果略優(yōu)于方案三，但方案四的處治費用遠高于方案三，因此，對于大流量重載交通條件下，采用方案三處治反射裂縫密集路段，恢復(fù)其路面技術(shù)狀況，技術(shù)經(jīng)濟最合理。

4 結(jié)語

運用ABAQUS建立計算模型，分析路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力狀態(tài)，通過數(shù)值模擬結(jié)果說明隨著厚度的增加和裂縫寬度的減少，最不利位置的最大剪應(yīng)力明顯下降，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱。

基于MTS剪切疲勞加載次數(shù)來表征出各抗裂材料的抗裂效果，得出鋪設(shè)聚酯玻纖布可以有效抑制反射裂縫的發(fā)展速率，相對于無土工材料的試件，其初裂疲勞加載次數(shù)和終裂疲勞加載次數(shù)提高133%和50.3%。

設(shè)計了四種鋪設(shè)聚酯玻纖布的養(yǎng)護維修方案，通過對處治后效果的跟蹤觀測，得出對于大流量重載交通條件下，采用方案三處治反射裂縫密集路段，恢復(fù)其路面技術(shù)狀況，技術(shù)經(jīng)濟最合理。