基于熵權(quán)-TOPSIS法的不同基層瀝青路面抗裂效果研究

張彥飛 劉襯雨 田亞磊 喬建剛

摘要 為了解決季凍區(qū)瀝青路面的反射裂縫問題，以路基路面工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，通過對瀝青路面反射裂縫病害影響因素分析，得到不同的基層模量是影響反射裂縫主要誘因之一;運(yùn)用Abaqus有限元分析法，根據(jù)建立的瀝青路面溫度-荷載耦合場模型，對不同基層模量的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，最終得到應(yīng)力強(qiáng)度因子時間曲線;運(yùn)用熵權(quán)-TOPSIS法，對半剛性、柔性、半柔性3種不同模量基層的瀝青路面抗裂性能進(jìn)行評價，結(jié)合干縮試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)，得到在季凍區(qū)的特殊氣候下，半柔性基層瀝青路面能夠有效抵抗瀝青路面的反射裂縫，從而為瀝青路面防治裂縫的產(chǎn)生提供新的解決辦法。

關(guān) 鍵 詞 瀝青路面;基層;反射裂縫;熵權(quán);評價

中圖分類號 U418.6? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract In order to solve the problem of reflection crack of asphalt pavement in seasonal frozen area， based on subgrade and pavement engineering and computer science， this paper analyzes the influencing factors of asphalt pavement reflection crack disease. Abaqus finite element analysis is used to construct the temperature-load coupling field model of asphalt pavement， and the stress cloud diagram of different base modulus is analyzed. The time curve of stress intensity factor is obtained and the crack resistance of asphalt pavement with semi-rigid， flexible and semi-flexible base is evaluated by using entropy weight TOPSIS method， combined with dry shrinkage test and freeze-thaw test. The experiment shows that the semi-flexible base asphalt pavement can restrain the disease of reflection crack of asphalt pavement in the seasonal frozen area， which provides a new way to prevent and cure the disease of reflection crack of asphalt road.

Key words asphalt pavement; base; reflection crack; entropy weight; evaluate

0 引言

我國由于季凍區(qū)特殊的環(huán)境影響，路面病害中反射裂縫尤為嚴(yán)重，對道路運(yùn)行的舒適性、安全性造成影響[1]。目前，中外學(xué)者從不同的角度，運(yùn)用不同的方法對瀝青路面的抗裂技術(shù)做了相關(guān)研究。2011年長沙理工大學(xué)的馮新軍等[2]設(shè)計(jì)了一種簡單的抗反射裂縫能力試驗(yàn)方法，通過模擬基層受力，得到抗反射裂縫能力的評價指標(biāo)。2016年長安大學(xué)李志剛等[3]研究了在凍融條件下乳化瀝青冷再生混合料的性能，確定試件的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度隨著不同凍融循環(huán)周期不同而產(chǎn)生的變化。2017年鄭州大學(xué)宋健民等[4]研究道路抗裂問題，在半剛性基層中鋪筑土工材料，吸收應(yīng)力增加道路柔性，能有效防治裂縫。2014年Moreno-Navarro等[5]將輪胎的耐久層（金屬層和織物層）制成抗反射開裂墊，放置在道路結(jié)構(gòu)中，能夠減少疲勞開裂過程產(chǎn)生的影響。2016年Ogundipe[6]通過對比了水合石灰改性瀝青混合料和常規(guī)瀝青混合料，增強(qiáng)了混合料的穩(wěn)定性能，可以改善道路裂縫問題。針對季凍區(qū)道路病害機(jī)理、瀝青面層抗裂、道路結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的問題國內(nèi)外開展了大量的研究工作[1-7]。但是針對道路結(jié)構(gòu)基層優(yōu)化的理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的研究，尤其是新型基層材料的開發(fā)方面很少?；诩緝鰠^(qū)環(huán)境的特點(diǎn)，為了從根源上解決反射裂縫的病害，提出新的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式-半柔性基層，對于抗裂的技術(shù)研究具有重大的意義。

1 影響道路基層裂縫的因素

半剛性基層的強(qiáng)度高且能夠承受較大荷載，抗疲勞性能以及抗沖刷性能好，因此是我國高等級公路瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)類型。然而半剛性基層在使用過程中出現(xiàn)了一些問題這種結(jié)構(gòu)隨著長時間荷載作用會出現(xiàn)大量的裂縫，且以反射裂縫為主，反射裂縫的機(jī)理圖如圖1所示。

影響反射裂縫產(chǎn)生的因素有：干縮、溫縮、荷載疲勞和路基的沉降。影響反射裂縫產(chǎn)生的主要因素為干縮和溫縮，由于環(huán)境的影響，基層材料整體宏觀體積會因?yàn)樗值恼舭l(fā)而產(chǎn)生收縮。在基層失水的過程中，會伴隨著巨大干縮應(yīng)力的出現(xiàn)，容易造成裂縫。由于季凍區(qū)特殊的環(huán)境，基層材料中不同的組成成分會產(chǎn)生不同的熱脹縮性，當(dāng)其材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力超過極限應(yīng)力值時材料就會造成反射裂縫。不同性能的基層模量會影響反射裂縫的發(fā)生，半柔性基層是將一定量的乳化瀝青加入到半剛性基層材料中，乳化瀝青起到了增加基層柔性的作用，從而減少反射裂縫的發(fā)生。

2 對不同基層類型瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗裂分析

根據(jù)試驗(yàn)和文獻(xiàn)所得的參數(shù)，輸入公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)HPDS2017中，經(jīng)過設(shè)計(jì)和多次驗(yàn)算得到各瀝青路面結(jié)構(gòu)層的最佳厚度，得到不同基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所示。

2.1 反射裂縫的受力分析

季凍區(qū)瀝青路面的溫度-荷載耦合場是用Abaqus建立的[8]，從溫度分析到荷載分析依次進(jìn)行耦合。在耦合時需要對典型溫度進(jìn)行分析，溫度升高時道路基層應(yīng)力會增大，因此選用地表溫度最高的7月份作為典型溫度，根據(jù)道路設(shè)計(jì)速度對道路施加不同的荷載，通過Abaqus有限元軟件得到圖2中的道路及基層的應(yīng)力云圖。

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，進(jìn)行有限元溫度-荷載耦合場下的裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分析[9]，得到0.02 s時刻溫度-荷載耦合場下道路和基層的應(yīng)力云圖，如圖2所示，重點(diǎn)研究3種不同基層各自的裂縫部位的應(yīng)力，通過應(yīng)力云圖得到其響應(yīng)狀態(tài)。

運(yùn)用Abaqus有限元模擬，對裂縫尖端的Mises應(yīng)力云圖分析，最終得到圖4中的應(yīng)力強(qiáng)度因子值。按照順序依次對溫度-荷載耦合場下的半剛性基層、柔性基層以及半柔性基層瀝青路面進(jìn)行反射裂縫狀態(tài)分析，得到3種不同模量基層的應(yīng)力強(qiáng)度因子情況。

由圖4可以得出，在壓力作用下半剛性基層、柔性基層及半柔性基層裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子值分別為0.014 1 MPa·m1/2、0.008 2 MPa·m1/2、0.008 9 MPa·m1/2，在拉力作用下分別為0.006 4 MPa·m1/2、0.003 4 MPa·m1/2、0.004 MPa·m1/2，通過比較，基層混合料的受壓性能遠(yuǎn)大于受拉，在溫度-荷載場作用下，在受壓時半剛性基層的應(yīng)力強(qiáng)度因子值是3種不同類型的基層中最小的，而在壓力作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子值是最大的是半剛性基層，最小的是半柔性基層，因此半剛性基層最容易出現(xiàn)裂紋狀態(tài)，而半柔性基層的反射裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)較為穩(wěn)定。

2.2 力學(xué)評價指標(biāo)的選取

通過對國內(nèi)相關(guān)資料和文獻(xiàn)進(jìn)行查閱[10-12]，選取的力學(xué)指標(biāo)有6個，分別為：瀝青層底拉應(yīng)變、基層層底拉應(yīng)力、面層豎向壓應(yīng)力、路基頂面壓應(yīng)變、瀝青層底拉應(yīng)力、基層層底拉應(yīng)變。在應(yīng)力強(qiáng)度因子值達(dá)到最大時，基于有限元溫度-荷載耦合場的模擬分析，測得不同基層瀝青路面的6個力學(xué)指標(biāo)值。

2.3 對不同基層類型路面進(jìn)行分析

將測得的各個力學(xué)指標(biāo)值進(jìn)行匯總，如表2所示。

由表2可知，當(dāng)試驗(yàn)條件相同時，不同類型的基層瀝青路面的指標(biāo)響應(yīng)值不相同。各道路基層類型的力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)值的大小為半剛性基層>半柔性基層>柔性基層。說明半剛性基層的強(qiáng)度最大，柔性基層的柔性最大，半柔性基層同時具有半剛性基層的強(qiáng)度和柔性基層的柔韌性，所以其混合料的性能較好。

3 基于熵權(quán)-TOPSIS的不同基層瀝青路面抗裂性能評價

由于傳統(tǒng)力學(xué)指標(biāo)、目標(biāo)決策數(shù)量較多，量綱較為復(fù)雜，運(yùn)用熵權(quán)-TOPSIS法能更加客觀地進(jìn)行評價不同基層瀝青路面的抗裂性能[13]。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣的構(gòu)建

依據(jù)表1，建立矩陣[A=（aij）n×m]的樣本數(shù)據(jù)，對于越大越優(yōu)的指標(biāo)，

3.2 加權(quán)矩陣的建立

采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。運(yùn)用熵權(quán)法的原理，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換得到各力學(xué)指標(biāo)的熵權(quán)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

4 對半柔性基層的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 干縮試驗(yàn)

依照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程制作試件，設(shè)置相同的試驗(yàn)條件，測量普通試件和摻加乳化瀝青試件的含水量。具體應(yīng)變值如圖5所示。

由圖5可以看到，當(dāng)時間增加的時候，2種混合料的應(yīng)變值均呈現(xiàn)增大的趨勢。通過試驗(yàn)結(jié)果可以得到，普通混合料的應(yīng)變值平均為152.8，當(dāng)摻入乳化瀝青時，混合料的應(yīng)變值平均為107.3，相比于普通混合料，其應(yīng)變值降低了34%，說明混合料中加入乳化瀝青能夠增加道路的柔韌性，在車輛荷載的長期作用下可以增加道路的抗裂性能，有效控制反射裂縫的發(fā)生。

4.2 凍融試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制作實(shí)驗(yàn)試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測定。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可知，在質(zhì)量變化這一列可以看到試驗(yàn)中混合料加入了2.5%的乳化瀝青，其質(zhì)量相較于普通混合料降低了13%，通過凍融試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度比普通混合料的損失減小了，說明水泥穩(wěn)定碎石中加入乳化瀝青能夠提高柔韌性，提高了混合料的抗凍性能，對于季凍區(qū)瀝青路面能夠間接地抑制早期反射裂縫病害的發(fā)生，表明在季凍區(qū)環(huán)境條件下半柔性基層具有良好的適用性。

5 結(jié)論

1）基于Abaqus有限元軟件構(gòu)建了瀝青路面的溫度-荷載耦合場模型，道路的應(yīng)力云圖更加直觀的展現(xiàn)了反射裂縫的受力狀態(tài)以及基層受力位置。

2）基于熵權(quán)-TOPSIS法，對比半剛性基層、柔性基層及半柔性基層3種道路基層對裂縫的防治能力，得到半柔性基層對于路面反射裂縫有著較好的抑制作用。

3）通過干縮試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)對半柔性基層進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出半柔性基層在寒冷條件下能夠抵抗裂縫的發(fā)生，其干縮性能優(yōu)良，對于預(yù)防道路開裂具有良好的效果。

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