半剛性基層路面反射裂縫的影響因素分析

陳卜

（衡水龍翔公路工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北 衡水 053000）

0 引言

道路的運(yùn)行能力和使用壽命影響著經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)的建立是促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的積極因素。因此，道路必須具有較大的剛度、路基具有較強(qiáng)的承載力，才能有效延長(zhǎng)道路的服務(wù)年限[1-2]。為此，我國(guó)大多數(shù)高等級(jí)公路采用半剛性基層路面，該路面具有較大的剛度，且剛度隨著齡段的增長(zhǎng)而逐漸提高。隨著社會(huì)需求的不斷變化，公路面臨的荷載變化較大，導(dǎo)致公路出現(xiàn)了一系列病害，如反射裂縫等[3]。反射裂縫是半剛性基層路面中常見的一種病害，主要受溫度荷載和交通荷載的影響，使半剛性基層路面產(chǎn)生收縮而導(dǎo)致開裂，進(jìn)而向上擴(kuò)展至瀝青表層形成裂縫，嚴(yán)重?fù)p害了半剛性基層路面的平整度，也降低了公路的服務(wù)年限[2-5]。基于此，本文以溫度荷載和交通荷載為研究對(duì)象，結(jié)合斷裂力學(xué)等理論，分析了兩種荷載對(duì)半剛性基層路面反射裂縫的影響。

1 試驗(yàn)條件選擇

在進(jìn)行溫度荷載對(duì)半剛性基層路面反射裂縫的影響試驗(yàn)過程中，須設(shè)定試驗(yàn)所用的半剛性基層路面的泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等是恒定不變的，并不隨溫度的變化而變化，路面結(jié)構(gòu)層溫度場(chǎng)在三維空間內(nèi)是均勻分布的[5]。

通常情況下，面層模量、厚度以及瀝青路面的溫縮系數(shù)等是影響半剛性基層路面的主要因素之一[6-8]。因此，本文主要針對(duì)這三個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)的研究。半剛性基層路面一般由瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、水泥穩(wěn)定沙礫墊層和土基四部分組成，其彈性模量分別為 50MPa、600MPa、1 500MPa 和 2 000MPa，導(dǎo)熱系數(shù)一般為1.0W/m·℃、1.1W/m·℃、1.2W/m·℃、1.2W/m·℃，泊松比分別為0.3、0.2、0.2、0.25，試驗(yàn)所使用的ΔT為-10℃。本文用于試驗(yàn)的有限元模型采用ANSYS軟件中提供的PLANE82斷裂力學(xué)模型單元[1]。

2 溫度荷載對(duì)半剛性基層路面反射裂縫的影響

溫度荷載對(duì)半剛性基層路面的病害主要表現(xiàn)在溫縮裂縫的形成，其應(yīng)力強(qiáng)度因子一般為張開型[6-8]，溫縮裂縫的大小與外界的氣溫變化、路面的材料等關(guān)系密切。本文分別分析了10cm、15cm 和20cm 瀝青面層厚度的變化規(guī)律，其結(jié)果見圖1。從圖1 可以得出，面層模量（圖1(a)）與面層溫縮系數(shù)（圖1(b)）均隨著相關(guān)參數(shù)的增加使得裂縫尖端（張開型）的應(yīng)力強(qiáng)度因子加大，而隨著面層厚度的增加，可以不同程度地降低其他參數(shù)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的作用，間接地降低了裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)而有效地減緩反射裂縫向上擴(kuò)展?；鶎幽Ａ浚▓D1(c)）和基層溫縮系數(shù)（圖1(d)）與面層模量和面層溫縮系數(shù)具有較為一致的變化規(guī)律，也具有隨著相關(guān)參數(shù)的增加使得裂縫尖端（張開型）的應(yīng)力強(qiáng)度因子加大的特征，但與前兩者不同的是，后者對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響作用更加明顯。

圖1 溫度荷載對(duì)半剛性基層路面強(qiáng)度因子的影響

3 行車荷載對(duì)半剛性基層路面反射裂縫的影響

3.1 面層材料特性的影響

面層材料的不同對(duì)半剛性基層路面反射裂縫有著重要的影響作用，不同的面層模量、面層厚度是主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-11]。從圖2(a)可以得出，在正對(duì)稱荷載的條件下，KⅠ（應(yīng)力強(qiáng)度因子）隨著面層模量的逐漸增加而減??；在反對(duì)稱荷載條件下，KⅠ隨著面層模量的逐漸增加而減小，而KⅡ隨著面層模量的增加而增加。由此可以得出，面層模量的逐漸增加可以有效減緩張開型裂縫的擴(kuò)展，但會(huì)加劇剪切型裂縫的擴(kuò)展，從圖2(a)的變化規(guī)律認(rèn)為，半剛性基層路面的面層模量以1 000 ～2 000MPa 為宜。從圖2(b)可以得出，無論是正對(duì)稱荷載條件，還是反對(duì)稱荷載條件，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ、KⅡ均隨著面層厚度的增加而減小，由此得出，適當(dāng)增加面層的厚度可以有效抑制裂縫的擴(kuò)展，從圖2b 的變化規(guī)律認(rèn)為，半剛性基層路面的面層厚度以大于16cm為宜。

圖2 面層模量(a)和面層厚度(b)對(duì)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

3.2 基層材料特性的影響

基層材料的影響主要體現(xiàn)在基層模量和基層厚度兩方面[9-11]。從圖3(a)可以得出，在正對(duì)稱荷載的條件下，KⅠ（應(yīng)力強(qiáng)度因子）隨著基層模量的逐漸增加而增加；在反對(duì)稱荷載條件下，KⅠ隨著基層模量的逐漸增加而增加，而KⅡ隨著基層模量的增加而減小，由此可以得出，基層模量的逐漸增加可以促使張開型裂縫的擴(kuò)展，但是可以減緩剪切型裂縫的擴(kuò)展。從圖3(a)的變化規(guī)律認(rèn)為，半剛性基層路面的基層模量應(yīng)小于3 000MPa 為宜。從圖3(b)可以得出，無論是正對(duì)稱荷載條件，還是反對(duì)稱荷載條件，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ、KⅡ均隨著基層厚度的增加而增加，由此得出，基層厚度的增加會(huì)促使裂縫擴(kuò)展，從圖3(b)的變化規(guī)律認(rèn)為，半剛性基層路面的基層厚度應(yīng)小于34cm為宜。

圖3 基層模量(a)和基層厚度(b)對(duì)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

3.3 底基層材料特性的影響

底基層材料的影響主要體現(xiàn)在底基層模量和底基層厚度兩方面[9]。從圖4(a)得出，在不同的荷載方式下，KⅠ隨著底基層模量的增加而增加，而KⅡ卻具有相反的變化關(guān)系，且具有KⅡ減小的速度比KⅠ增加的速度慢的特征。因此，綜合認(rèn)為底基層模量以600～800MPa 為宜。從圖4(b)可以得出，隨著底基層厚度的增加，在正對(duì)稱荷載和反對(duì)稱荷載條件下，應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律與底基層模量的變化規(guī)律相似，都具有隨著底基層厚度的增加KⅠ增加、KⅡ減小的特征；此外，當(dāng)?shù)谆鶎雍穸仍黾拥揭欢ǔ潭葧r(shí)，在兩種荷載條件下應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化范圍很小，基本處于平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，因此，底基層應(yīng)大于33cm。

圖4 底基層模量(a)和底基層厚度(b)對(duì)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

3.4 反射裂縫長(zhǎng)度的影響

反射裂縫長(zhǎng)度的影響作用主要反映在裂縫擴(kuò)展至面層不同厚度時(shí)的變化規(guī)律上[11]。從圖5 中可以得出，在兩種荷載（正對(duì)稱和反對(duì)稱）條件下，隨著裂縫長(zhǎng)度的增加，KⅠ和KⅡ均增加，且變化速率較快，由此可知，裂紋的發(fā)育程度及長(zhǎng)度均可促使裂縫的擴(kuò)展。因此，在公路建設(shè)過程中應(yīng)考慮應(yīng)力吸收層等的設(shè)置。

圖5 裂縫長(zhǎng)度對(duì)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

3.5 荷載集度大小的影響

荷載集度大小的影響主要體現(xiàn)在行車荷載的影響方面。從圖6 可以得出，在兩種荷載（正對(duì)稱和反對(duì)稱）條件下，隨著車輛軸載的增加，KⅠ和KⅡ均增加，且變化速率較快，由此可知，行車車輛過重會(huì)加劇裂縫的擴(kuò)展，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制超重車輛的通行。

圖6 車輛荷載對(duì)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

4 荷載耦合對(duì)半剛性基層路面反射裂縫的影響

眾所周知，半剛性基層路面反射裂縫的形成并不是單一荷載的作用，而是溫度荷載、交通荷載等共同作用的結(jié)果[12-14]。一般來說，溫度荷載與張開型裂縫的形成關(guān)系更為密切，而交通荷載則與剪切型裂縫的形成更為密切。公路的運(yùn)行狀況一般是復(fù)雜多變的，因此本文討論了偏載條件下溫度荷載與交通荷載之間的作用。由表1 可知，當(dāng)溫度荷載與交通荷載共同作用時(shí)，往往形成偏載現(xiàn)象，使得裂縫尖端受到兩種作用的裂縫擴(kuò)展，即張開型和剪切型共同存在，且二者并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系，而是由剪應(yīng)力與張應(yīng)力的大小共同影響。一般來說，低溫收縮應(yīng)力可以減緩交通荷載形成的剪切作用。

表1 偏載作用下溫度荷載與交通荷載的耦合作用

5 結(jié)論

本文以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助有限元建模方法，探討了溫度荷載、交通荷載對(duì)半剛性基層路面反射裂縫的影響。主要得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）溫度荷載對(duì)半剛性基層路面形成反射裂縫的影響主要表現(xiàn)在面層模量、厚度以及瀝青路面的溫縮系數(shù)幾個(gè)方面；

（2）交通荷載半剛性基層路面形成反射裂縫的影響主要體現(xiàn)在面層材料特性、基層材料特性、底基層材料特性、反射裂縫長(zhǎng)度和荷載集度大小等幾個(gè)方面；

（3）溫度荷載和交通荷載是導(dǎo)致半剛性基層路面形成反射裂縫的主要原因，二者不是單獨(dú)作用的，而是共同作用，即張開型和剪切型共同存在，且二者并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系，而是由剪應(yīng)力與張應(yīng)力的大小共同影響。