路基不均勻沉降對(duì)瀝青路面Top-Down開裂影響分析

張茗

(海南路橋工程有限公司，海南 三亞 572000)

基于“強(qiáng)基薄面”的設(shè)計(jì)理念，目前中國(guó)二級(jí)以上公路大多采用半剛性基層瀝青路面。由路基不均勻沉降導(dǎo)致的瀝青路面Top-Down裂縫(TDC)是導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。大量研究表明，TDC產(chǎn)生初期，對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的影響很小，但隨著路基不均勻沉降，TDC裂紋向路基內(nèi)部擴(kuò)展，對(duì)半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)整體性產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重影響路面的使用性能和壽命。因此，對(duì)路基不均勻沉降導(dǎo)致的瀝青路面Top-Down開裂行為進(jìn)行研究，對(duì)提高半剛性基層瀝青路面的整體承載力和延長(zhǎng)路面使用壽命意義重大。

近年來(lái)，將有限元軟件運(yùn)用于半剛性基層瀝青路面開裂行為研究已日趨成熟，借助有限元軟件對(duì)半剛性基層瀝青路面開裂機(jī)理及影響因素進(jìn)行了大量研究。如Zhao Y.等基于多層彈性計(jì)算機(jī)代碼APRA對(duì)瀝青路面的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，認(rèn)為行車荷載與路面接觸時(shí)產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力是導(dǎo)致TDC裂紋的原因之一；Miao Y.等為避免有限元中網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采用多域混合邊界點(diǎn)法和斷裂理論分析了水平應(yīng)力對(duì)TDC裂紋的影響。但對(duì)路基不均勻沉降導(dǎo)致的瀝青路面Top-Down開裂成因和影響因素尚缺乏充分研究。為此，該文借助有限元軟件，分析路基沉降和裂紋位置等因素對(duì)瀝青路面TDC開裂的影響。

1 工程概況

依托某二級(jí)公路實(shí)體工程，對(duì)有限元模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。該公路的路面結(jié)構(gòu)組成為4 cm AC-13上面層、6 cm AC-20下面層、20 cm 5.5%水泥穩(wěn)定碎石基層、20 cm 4.0%水泥穩(wěn)定碎石底基層、3 m壓實(shí)土基(見(jiàn)圖1)。

圖1 路面結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元建模

2.1 模型基本假定

(1)考慮到面層材料的黏彈特性，選擇廣義Maxwell本構(gòu)模型表征本構(gòu)關(guān)系，基層、底基層及土基材料特性則為線彈性。

(2)考慮到路面為多層彈性體系，設(shè)定有限元模型層間位移完全連續(xù)。

(3)模型四周為法向約束、底部為完全約束。

(4)考慮到路面材料的自重，在Y方向?yàn)槟Ｐ吞砑又亓铀俣取?/p>

(5)考慮到面層的吸熱特性，以50 ℃條件下瀝青混合料的工程參數(shù)作為模型計(jì)算參數(shù)。

2.2 模型建立

在有限元軟件中設(shè)定瀝青路面模型尺寸為X×Y×Z=6 m×3.5 m×4 m。為模擬TDC裂紋效果，在模型中設(shè)置一條縱向表面裂紋，裂紋初始深度h0=1 cm。在有限元計(jì)算分析過(guò)程中，荷載選取BZZ-100單軸雙輪標(biāo)準(zhǔn)軸載，垂直壓力設(shè)定為0.8 MPa，荷載布設(shè)位置見(jiàn)圖 2?？紤]到路基不均勻沉降的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，為簡(jiǎn)化模型，突出主要因素的影響，將有限元模型中的土基分為左右兩部分，保持兩部分在X方向上完全連續(xù)，而在Y方向上單獨(dú)對(duì)右側(cè)土基施加沉降值，以此簡(jiǎn)化路基不均勻沉降的作用效果。有限元模型見(jiàn)圖3。

圖2 荷載布設(shè)方式示意圖(單位：m)

圖3 有限元模型

2.3 模型參數(shù)

參考文獻(xiàn)[8]，設(shè)定表1所示各層材料參數(shù)。

表1 有限元模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 沉降對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展的影響

將沉降值設(shè)定為0、1、2、3、4、5 cm，通過(guò)有限元模型分析半剛性基層不均勻沉降對(duì)半剛性基層瀝青路面TDC裂紋擴(kuò)展的影響。為提高沉降值對(duì)TDC擴(kuò)展影響的精度，繪制不同初始沉降值下擴(kuò)裂時(shí)程曲線(見(jiàn)圖4)并提取6種不同情況下TDC裂紋最終擴(kuò)展值(見(jiàn)圖5)。

圖4 初始沉降值對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展的影響

圖5 初始沉降值對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展終值的影響

由圖4和圖 5可知：總的來(lái)看，初始沉降值越大，TDC裂紋的最終擴(kuò)展深度越大。初始沉降值為零時(shí)，TDC沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)展，最終沉降值為零；初始沉降值為1 cm時(shí)，TDC裂紋的最終擴(kuò)展深度為20 mm；初始沉降值為3 cm時(shí)，TDC裂紋的最終擴(kuò)展深度為40 mm，是初始沉降值為1 cm時(shí)TDC裂紋擴(kuò)展終值的2倍；初始沉降值為5 cm時(shí)，TDC最終擴(kuò)展深度為90 mm，裂紋深度已達(dá)到面層深度的90%，幾乎貫穿整個(gè)面層，說(shuō)明沉降值繼續(xù)增大會(huì)加劇TDC裂紋的最終擴(kuò)展深度，并將裂縫擴(kuò)展至基層，增加路面病害產(chǎn)生的概率，對(duì)路面不利。此外，初始沉降值對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響程度隨時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，表現(xiàn)為圖 4中每條曲線的斜率先增大后減小。每條曲線的起裂時(shí)刻與擴(kuò)展速率之間不盡相同，沒(méi)有較強(qiáng)的規(guī)律性，初始沉降值較小(1、2 cm)時(shí)，2 cm初始沉降值更早開始裂紋擴(kuò)展，兩者的擴(kuò)展速率之間沒(méi)有明確的相關(guān)關(guān)系；初始沉降值越大(3、4、5 cm)，裂紋起裂時(shí)刻越早，且三者的擴(kuò)展速率與初始沉降值成正相關(guān)關(guān)系。

綜上，路基不均勻沉降初始值越大，裂紋應(yīng)力集中積累的損傷應(yīng)力越大，TDC裂紋擴(kuò)展速率和擴(kuò)展程度增大。

3.2 裂紋位置對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展的影響

在分析沉降值對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律時(shí)，TDC在模型中的位置固定于路中央，未考慮裂紋位置對(duì)TDC裂縫擴(kuò)展的影響。在實(shí)際使用過(guò)程中，路面受行車荷載和路基不均勻沉降的共同作用，路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布也呈動(dòng)態(tài)變化。如圖6所示，將模型中的初始沉降值設(shè)為5 cm，分析裂紋向左側(cè)非沉降區(qū)平移1、2、3、4、5 cm和向右側(cè)沉降區(qū)平移1、2、3、4、5 m時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力。分析結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8，2種偏移情況下TDC裂紋的最終深度見(jiàn)圖9。

圖6 裂紋布設(shè)示意圖

圖7 裂紋左移對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展的影響

圖8 裂紋右移對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展的影響

圖9 左移與右移情況下TDC裂紋終值對(duì)比

由圖 7、圖 8可知：無(wú)論裂紋向左側(cè)還是向右側(cè)平移，TDC裂紋擴(kuò)展終值都隨位移值的增大先增大后減小，最終在平移5 cm后裂紋擴(kuò)展值為零，說(shuō)明裂紋無(wú)論是左移或右移，大于等于5 cm時(shí)TDC裂紋不發(fā)生擴(kuò)展。

由圖9可知：裂紋左移比裂紋右移對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響大。偏移1 cm時(shí)，兩者裂紋擴(kuò)展終值變化趨勢(shì)相同；但裂紋位置由1 cm偏移至2 cm時(shí)，裂紋左移，擴(kuò)展終值減少28.6%，裂紋右移擴(kuò)展終值減少9.5%；裂紋位置平移4 cm時(shí)，裂紋左移擴(kuò)展終值降為零，裂紋右移裂紋擴(kuò)展終值減少47.6%。TDC裂紋偏移位置大于1 cm時(shí)，裂紋向右偏移所導(dǎo)致的TDC裂紋擴(kuò)展終值始終大于裂紋左移對(duì)應(yīng)的值。以偏移值3 cm為例，裂紋右移時(shí)擴(kuò)展深度為60 mm，左移對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展深度為35 mm，右移對(duì)TDC裂紋擴(kuò)展的影響比左移小得多。

4 結(jié)論

(1)沉降值和TDC裂紋位置對(duì)半剛性基層瀝青路面Top-Down開裂影響較大。初始沉降值越大，TDC裂紋擴(kuò)展越嚴(yán)重。初始沉降值為零時(shí)，單一的軸載作用并不會(huì)造成裂紋擴(kuò)展；初始沉降值為5 cm時(shí)，裂紋幾乎貫穿整個(gè)路面層。

(2)沉降值越大，裂紋開裂時(shí)刻越早，裂紋擴(kuò)展時(shí)間變長(zhǎng)，且開裂速率越大，表現(xiàn)為擴(kuò)展速率及擴(kuò)展終值增大。

(3)裂紋位置對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響較復(fù)雜，影響程度隨裂紋平移距離和方向而改變，TDC裂紋往沉降區(qū)平移對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響小于向非沉降區(qū)平移；裂紋擴(kuò)展終值隨平移距離的增加而下降時(shí)，右移對(duì)應(yīng)的裂紋終值衰減速率比左移慢。