半剛性基層開(kāi)裂后瀝青路面壽命預(yù)估方法研究

房娜仁,胡士清,吳朝玥,孫耀寧,韓金川

(1. 天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院,天津 300384;2. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056;3. 中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京100000;4. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;5. 天津市賽英工程技術(shù)咨詢有限公司,天津 300384)

0 引 言

半剛性基層瀝青路面疲勞破壞過(guò)程一般包括裂縫產(chǎn)生、裂縫擴(kuò)展和路面斷裂3個(gè)階段[1-3]。交通荷載作用下瀝青面層底部產(chǎn)生微小裂縫并持續(xù)發(fā)展成宏觀裂縫,這一階段的疲勞壽命稱為半剛性基層瀝青路面起裂壽命。瀝青路面在交通荷載及溫度荷載循環(huán)作用下宏觀裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,直至反射裂縫擴(kuò)展至路表,瀝青面層材料失穩(wěn),路面發(fā)生斷裂破壞,這一階段的疲勞壽命稱為半剛性基層瀝青路面擴(kuò)展壽命。目前半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展壽命預(yù)估方法均以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ),主要包括Paris公式、Forman公式和Walker公式[4-5]。Paris通過(guò)分析研究大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了裂紋擴(kuò)展速率dc/dN和應(yīng)力強(qiáng)度因子K的關(guān)系,用以計(jì)算擴(kuò)展壽命;Forman考慮參數(shù)斷裂韌度Kc的影響對(duì)Paris公式進(jìn)行修正;Walker考慮了荷載最大值所產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax。Paris公式形式簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便,仍是目前廣泛使用的計(jì)算方法。

綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)半剛性基層瀝青路面疲勞壽命的研究取得了一定進(jìn)展,但仍存在以下不足:① 現(xiàn)有規(guī)范僅考慮無(wú)損路面結(jié)構(gòu)下的路面疲勞開(kāi)裂壽命,但在實(shí)際施工鋪筑瀝青面層時(shí),部分半剛性基層已出現(xiàn)貫穿裂縫; ② 雖然大部分學(xué)者開(kāi)始采用斷裂力學(xué)方法描述路面疲勞開(kāi)裂,并提出應(yīng)力強(qiáng)度因子這一指標(biāo),但應(yīng)力強(qiáng)度因子僅能反映反射裂縫擴(kuò)展的難易程度,無(wú)法判斷路面的疲勞特性。鑒于此,筆者通過(guò)分析交通荷載與溫度荷載下不同裂縫長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子,深入挖掘半剛性基層開(kāi)裂后瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律,揭示反射裂縫在不同階段下的主要誘因,從而提出相應(yīng)的反射裂縫疲勞壽命預(yù)估方程,并依托喀葉墨高速公路擴(kuò)建工程進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)半剛性基層開(kāi)裂后瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)估。

1 半剛性基層瀝青路面有限元模型

1.1 基本假設(shè)

假定裂縫已貫穿整個(gè)半剛性基層。同時(shí),為方便分析,對(duì)分析模型做了如下基本假設(shè)[6]:① 結(jié)構(gòu)層材料均采用線彈性本構(gòu)模擬;② 反射裂縫的初始長(zhǎng)度定義為5 mm;③ 各結(jié)構(gòu)層間連續(xù),不計(jì)結(jié)構(gòu)自重;④ 層間豎直、水平位移保持完全連續(xù)。

1.2 路面計(jì)算模型及材料參數(shù)

為探究交通荷載對(duì)半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展的影響,根據(jù)交通荷載作用于反射裂縫位置,分為正荷載和偏荷載。計(jì)算模型如圖1。

圖1 反射裂縫面層擴(kuò)展計(jì)算模型Fig. 1 Calculation model of reflective fracture surface layer expansion

為簡(jiǎn)化計(jì)算,按照模量等效原理?yè)Q算[7],將路面結(jié)構(gòu)中的瀝青面層簡(jiǎn)化成一層,并參考文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9],得到各層路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1。

表1 簡(jiǎn)化后路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

1.3 模型建立

模型尺寸為6 m(X軸方向)×3 m(Y軸方向)×3 m(Z軸方向)。邊界條件如下:底面完全固定,四邊設(shè)置相應(yīng)的水平約束設(shè)置,網(wǎng)格精度為單元寬度2.5 mm,路面結(jié)構(gòu)層劃分如圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)模型示意Fig. 2 Schematic diagram of pavement structure model

2 荷載作用下裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

2.1 半剛性基層反射裂縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響

采用ABAQUS有限元軟件模擬分析半剛性基層無(wú)裂縫和存在反射裂縫2種工況下,正荷載及偏荷載作用下瀝青層底應(yīng)力分布情況。模擬計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 應(yīng)力分布Fig. 3 Stress distribution

由圖3可知,當(dāng)半剛性基層存在貫穿反射裂縫時(shí),層間拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均出現(xiàn)突變。偏載作用下,瀝青層底受力狀態(tài)發(fā)生改變,壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,隨著距路表距離的增加,水平應(yīng)力急速增長(zhǎng)至3.75 MPa,剪應(yīng)力由0.73 MPa增長(zhǎng)到1.23 MPa,并急劇降低至0.04 MPa。正荷載作用下,瀝青層底受力狀態(tài)也發(fā)生改變,由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,水平應(yīng)力急速增長(zhǎng)至2.90 MPa,而剪應(yīng)力均很小。因此,反射裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致裂縫尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中,研究交通荷載對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響意義重大。

2.2 交通荷載作用下反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律

筆者進(jìn)而計(jì)算在2種最不利荷位的作用下,初始裂縫為0.5 cm時(shí),不同裂縫長(zhǎng)度下輪心位置處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子值,如圖4。

圖4 交通荷載作用下不同裂縫長(zhǎng)度的應(yīng)力強(qiáng)度因子Fig. 4 Stress intensity factors of different crack lengths under traffic load

從圖4可知,隨著裂縫長(zhǎng)度不斷增加,即反射裂縫不斷擴(kuò)展,正荷載和偏荷載作用下張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子K1持續(xù)減小。當(dāng)裂縫長(zhǎng)度為3 cm左右時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1為負(fù),此時(shí)反射裂縫主要承受壓應(yīng)力,對(duì)反射裂縫的擴(kuò)展沒(méi)有影響。而偏荷載作用下,反射裂縫長(zhǎng)度較小時(shí),剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子K2較小,裂縫長(zhǎng)度從0.5 cm增長(zhǎng)至2 cm時(shí),剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子K2僅增長(zhǎng)了4.8%;而當(dāng)裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度大于2 cm后,裂縫擴(kuò)展速率不斷增加,平均增長(zhǎng)率高達(dá)42.8%,且K2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K1。因此,裂縫擴(kuò)展速率主要受偏荷載影響。

2.3 溫度荷載作用下反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律

由于氣溫變化復(fù)雜,初始溫度與日溫差差異較大,為便于模擬溫度荷載,筆者選取一年內(nèi)最普遍的溫度(20 ℃)作為初始溫度,降溫速率設(shè)為2.5 ℃/h。初始裂縫長(zhǎng)度為0.5 cm,考慮到溫度荷載作用下最顯著的開(kāi)裂方式為張開(kāi)型裂縫,而剪切型裂縫與撕開(kāi)型裂縫幾乎不會(huì)發(fā)生,因此僅分析溫度荷載作用下張開(kāi)型應(yīng)力強(qiáng)度因子K1,計(jì)算不同裂縫長(zhǎng)度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子值,如圖5。

圖5 溫度荷載作用下不同裂縫長(zhǎng)度的應(yīng)力強(qiáng)度因子Fig. 5 Stress intensity factors of different crack lengths under temperature load

由圖5可知,隨著裂縫長(zhǎng)度不斷增加,溫度荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1不斷增加,且當(dāng)裂縫長(zhǎng)度超過(guò)6 cm時(shí),K1的增長(zhǎng)速度顯著增加;最大應(yīng)力強(qiáng)度因子為裂縫擴(kuò)展至10 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的值0.21 MPa·m1/2,明顯小于交通荷載作用時(shí)產(chǎn)生的剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子K2,且隨反射裂縫的不斷擴(kuò)展,兩者間的差距越來(lái)越大。由此表明,反射裂縫擴(kuò)展過(guò)程中,裂縫擴(kuò)展前期受溫度和荷載共同影響,裂縫擴(kuò)展后期主要受交通荷載的影響。

2.4 不同軸載對(duì)反射裂縫擴(kuò)展的影響

為反映不同車輛軸載對(duì)瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展的影響,建立三維模型,分別模擬在兩種最不利荷位作用下,不同軸載作用下瀝青面層反射裂縫起裂時(shí)(裂縫長(zhǎng)度為0.5 cm)輪心位置處的應(yīng)力強(qiáng)度因子值,如圖6。

圖6 不同軸載作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子Fig. 6 Stress intensity factors under different axle loads

由圖6可知,交通荷載作用下,隨著車輛軸載的不斷增加,應(yīng)力強(qiáng)度因子K1和K2均隨之增大。分析相同軸載條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1值可知,正荷載作用時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1更大,當(dāng)車輛軸載由100 kN增長(zhǎng)到250 kN時(shí),正荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1從0.081 MPa·m1/2增長(zhǎng)到0.137 MPa·m1/2,增長(zhǎng)了68.4%;偏荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1從0.061 MPa·m1/2增長(zhǎng)到0.119 MPa·m1/2,增長(zhǎng)了95.3%。分析偏載作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子K2值可知,應(yīng)力強(qiáng)度因子K2遠(yuǎn)大于K1,當(dāng)車輛軸載由100 kN增長(zhǎng)到250 kN時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子K2從0.154 MPa·m1/2增長(zhǎng)到0.269 MPa·m1/2,增長(zhǎng)了68.4%。結(jié)果表明,反射裂縫的擴(kuò)展受軸載的影響非常顯著。

3 半剛性基層路面反射裂縫起裂壽命預(yù)估

3.1 反射裂縫起裂模型

采用JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)中瀝青面層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算公式,預(yù)估半剛性基層瀝青路面反射裂縫起裂壽命,如式(1):

(1)

式中:Nf1為瀝青混合料層疲勞開(kāi)裂壽命,次;β為目標(biāo)可靠指標(biāo),β=1.65;ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù),按照規(guī)范根據(jù)內(nèi)插法喀什地區(qū)取0.74;kb為疲勞加載模式系數(shù),按照式(2)計(jì)算:

(2)

式中:Ea為20 ℃下瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量,MPa;σ為瀝青混合料的瀝青飽和度,%,按照喀葉墨高速公路下面層瀝青混合料實(shí)驗(yàn)結(jié)果取σ=68.5%;h為瀝青混合料層厚度,取h=120 mm;kT1為溫度調(diào)整系數(shù),按照規(guī)范確定為1.30;εa為瀝青混合料層層底拉應(yīng)變。

3.2 起裂壽命計(jì)算

為準(zhǔn)確得到半剛性基層開(kāi)裂后的瀝青面層層底拉應(yīng)變,依托喀葉墨高速公路擴(kuò)建工程,鋪筑試驗(yàn)路時(shí)在基層有裂縫對(duì)應(yīng)位置處的瀝青面層層底埋入電阻式傳感器,布設(shè)于車后雙輪中心處。將BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)荷載的車輛后輪?？吭趹?yīng)變傳感器正上方,利用應(yīng)變采集儀采集瀝青層層底應(yīng)變數(shù)據(jù),取兩車輪處的應(yīng)變平均值作為文中起裂壽命預(yù)估時(shí)所使用的拉應(yīng)變。

根據(jù)采集結(jié)果,瀝青面層層底拉應(yīng)變?yōu)?67.28 με。將實(shí)測(cè)層底拉應(yīng)變、模量等參數(shù)代入式(1),計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為2.093 2×104次。

根據(jù)喀葉墨高速公路擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)文件,其設(shè)計(jì)交通等級(jí)為重交通。2020年交通量為19 836輛/d,喀葉墨高速公路交通量年增長(zhǎng)率為6%,將不同車型按照滿載比例換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載,如表2。

表2 喀葉墨高速公路軸載換算結(jié)果

設(shè)計(jì)年限為15 a,則根據(jù)軸載換算結(jié)果可得喀葉墨高速公路運(yùn)營(yíng)期設(shè)計(jì)軸載作用軸次,如表3。

表3 喀葉墨高速公路設(shè)計(jì)年限內(nèi)軸載作用次數(shù)

由表3可知,瀝青面層起裂壽命很小,幾乎可以忽略不計(jì)。由此表明,一旦半剛性基層出現(xiàn)貫穿裂縫,裂縫處對(duì)應(yīng)的瀝青層底將很容易開(kāi)裂。

4 半剛性基層路面反射裂縫擴(kuò)展壽命預(yù)估

4.1 A值和n值的確定

交通荷載作用下以II型應(yīng)力強(qiáng)度因子為主,但仍有I型應(yīng)力強(qiáng)度因子的作用。筆者將兩種荷載應(yīng)力強(qiáng)度因子耦合,如式(3):

(3)

改進(jìn)的Paris公式如式(4):

(4)

采用改進(jìn)的Paris公式預(yù)估反射裂縫擴(kuò)展壽命時(shí),A值和n值是Paris公式中重要的參數(shù),其取值的正確性直接影響到半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展壽命的精度。參考文獻(xiàn)[10],選取A=3.44×10-6,n=2.71。

4.2 擴(kuò)展壽命計(jì)算

由于半剛性基層厚度很大,交通荷載作用下底基層和路基力學(xué)響應(yīng)較小,因此僅考慮面層和基層材料參數(shù)在交通荷載作用下對(duì)半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展的影響。選取的路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)組合如表4。

表4 不同路面結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

4.2.1 不同面層厚度下反射裂縫擴(kuò)展壽命

保持其他參數(shù)不變,即面層模量為1 500 MPa,基層厚度和模量分別為38 cm、3 000 MPa時(shí),分析不同面層厚度下反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果可知,不同面層厚度下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1正值均很小,且擴(kuò)展至面層厚度的20%～35%時(shí)K1為負(fù),因此僅列出K2計(jì)算結(jié)果,如圖7。

圖7 面層厚度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子K2的影響Fig. 7 Effect of surface layer thickness on stress intensity factor K2

由圖7可知,相同裂縫長(zhǎng)度下,面層厚度與應(yīng)力強(qiáng)度因子K2成反比。以裂縫擴(kuò)展初期(0.5 cm)為例,面層厚度由10 cm分別增加至12、14、16、18 cm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子K2依次減少了0.056、0.042、0.031、0.012 MPa×m1/2;并且隨著反射裂縫持續(xù)擴(kuò)展,應(yīng)力強(qiáng)度因子K2降低的幅度也越大,這表明半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展受瀝青面層厚度的影響非常大,增加面層厚度可以大幅延緩反射裂縫的擴(kuò)展。

根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1、K2計(jì)算結(jié)果,按照式(4)計(jì)算得到不同面層厚度下的反射裂縫擴(kuò)展壽命,如圖8。

圖8 反射裂縫擴(kuò)展壽命與面層厚度的關(guān)系Fig. 8 Relation between reflective crack propagation life and surface layer thickness

由圖8可知,隨著面層厚度的增加,反射裂縫擴(kuò)展壽命幾乎成線性增長(zhǎng)。面層厚度為12、14、16、18 cm時(shí),與10 cm的面層厚度相比,反射裂縫擴(kuò)展壽命分別增加了1.54、2.43、3.55、5.06倍。因此,經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,可以通過(guò)增加瀝青面層厚度的方式提高反射裂縫擴(kuò)展壽命。

4.2.2 不同面層模量下反射裂縫擴(kuò)展壽命

保持其他參數(shù)不變,即面層厚度為12 cm,基層厚度和模量分別為38 cm、3 000 MPa時(shí),分析不同面層模量下反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果可知,不同面層模量下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1正值均很小,且裂縫長(zhǎng)度為3 cm左右時(shí)K1變?yōu)樨?fù),因此僅列出K2計(jì)算結(jié)果,如圖9。

圖9 面層模量對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子K2的影響Fig. 9 Effect of surface modulus on stress intensity factor K2

由圖9可知,相同裂縫長(zhǎng)度下,面層模量與應(yīng)力強(qiáng)度因子K2成正比。以裂縫長(zhǎng)度2 cm為例,面層模量每增加300 MPa,應(yīng)力強(qiáng)度因子K2平均增加13.2%。隨著反射裂縫持續(xù)擴(kuò)展,應(yīng)力強(qiáng)度因子K2的增長(zhǎng)速率逐漸增加。這是因?yàn)殡S著裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度的增加,反射裂縫逐漸接近路表,瀝青面層將直接承受更多的交通荷載應(yīng)力,從而加快了半剛性基層瀝青路面反射裂縫的擴(kuò)展速率。

計(jì)算得到不同面層模量下的反射裂縫擴(kuò)展壽命,如圖10。

圖10 反射裂縫擴(kuò)展壽命與面層模量的關(guān)系Fig. 10 Relationship between reflective crack propagation life and surface modulus

由圖10可知,隨著面層模量的增加,反射裂縫擴(kuò)展壽命逐漸降低。面層模量由900 MPa增加到2 100 MPa時(shí),反射裂縫擴(kuò)展壽命平均下降率為12.7%。而瀝青混合料模量隨溫度升高而降低。因此,可以選用溫度敏感性低的瀝青混合料以提高反射裂縫擴(kuò)展壽命。

4.2.3 不同基層厚度下反射裂縫擴(kuò)展壽命

保持其他參數(shù)不變,即基層模量為3 000 MPa,面層厚度和模量分別為12 cm、1 500 MPa時(shí),分析不同基層厚度下反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果可知,不同基層厚度下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1正值均很小,且裂縫長(zhǎng)度為3 cm左右時(shí)K1變?yōu)樨?fù),因此僅列出K2計(jì)算結(jié)果。如圖11。

圖11 基層厚度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子K2的影響Fig. 11 Effect of base course thickness on stress intensity factor K2

由圖11可知,相同裂縫長(zhǎng)度下,基層厚度與應(yīng)力強(qiáng)度因子K2成反比。以裂縫擴(kuò)展初期(0.5 cm)為例,基層厚度由32 cm增加至44 cm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子K2變化幅度很小,僅降低了0.014 MPa·m1/2。這是因?yàn)榘雱傂曰鶎右研纬韶灤┝芽p,即使增加基層厚度,也無(wú)法改變裂縫處應(yīng)力集中狀態(tài)。

計(jì)算得到不同基層厚度下的反射裂縫擴(kuò)展壽命,如圖12。

圖12 反射裂縫擴(kuò)展壽命與基層厚度的關(guān)系Fig. 12 Relationship between reflective crack propagation life and base course thickness

由圖12可知,隨著基層厚度的增加,反射裂縫擴(kuò)展壽命逐漸增長(zhǎng)?；鶎雍穸扔?2 cm增加到44 cm時(shí),反射裂縫擴(kuò)展壽命平均增長(zhǎng)率僅為4.0%,基層厚度對(duì)反射裂縫擴(kuò)展壽命影響很小。這是因?yàn)榛鶎右呀?jīng)開(kāi)裂,反射裂縫在面層擴(kuò)展的影響非常小。

4.2.4 不同基層模量下反射裂縫擴(kuò)展壽命

保持其他參數(shù)不變,即基層厚度為38 cm,面層厚度和模量分別為12 cm、1 500 MPa時(shí),分析不同基層模量下反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果可知,不同基層模量下應(yīng)力強(qiáng)度因子K1正值均很小,且裂縫長(zhǎng)度為3 cm左右時(shí)K1變?yōu)樨?fù),因此僅列出K2計(jì)算結(jié)果(圖13)。

圖13 基層模量對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子K2的影響Fig. 13 Effect of base modulus on stress intensity factor K2

由圖13可知,相同裂縫長(zhǎng)度下,基層模量與應(yīng)力強(qiáng)度因子K2成反比。以裂縫擴(kuò)展初期(0.5 cm)為例,基層模量由2 000 MPa增加至2 500、3 000、3 500、4 000 MPa時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子K2平均減小率僅為2.6%。由此可見(jiàn),基層模量的增大雖然有利于延緩反射裂縫的擴(kuò)展,但是延緩效果并不明顯。

計(jì)算得到不同基層模量下的反射裂縫擴(kuò)展壽命,如圖14。

圖14 反射裂縫擴(kuò)展壽命與基層模量的關(guān)系Fig. 14 Relationship between reflective crack propagation life and base modulus

由圖14可知,隨著基層模量的增加,反射裂縫擴(kuò)展壽命呈現(xiàn)出先急速提高后緩慢提升的規(guī)律?；鶎幽Ａ坑? 000 MPa增加到3 000 MPa時(shí),反射裂縫擴(kuò)展壽命增長(zhǎng)了10.7%?；鶎幽Ａ坑? 500 MPa增加到4 000 MPa時(shí),反射裂縫擴(kuò)展壽命增長(zhǎng)了6.0%。因此,基層模量的增加對(duì)提高半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展壽命是有限的。

4.3 工程實(shí)例

根據(jù)不同路面結(jié)構(gòu)層對(duì)反射裂縫擴(kuò)展壽命的影響分析結(jié)果,喀葉墨高速公路擴(kuò)建工程擬采用5 cm AC-16改性瀝青混凝土 + 7 cm AC-25瀝青混凝土 + 38 cm水穩(wěn)碎石基層 + 20 cm級(jí)配砂礫底基層的路面結(jié)構(gòu)。

交通荷載取偏荷載,計(jì)算不同反射裂縫長(zhǎng)度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK,繪制散點(diǎn)圖并擬合曲線,如圖15。

圖15 ΔK和反射裂縫長(zhǎng)度a的擬合曲線Fig. 15 Fitting curve of ΔK and reflection crack length a

按照式(4)求取積分即可得到擴(kuò)展壽命,為1.56×108次。由表3計(jì)算得到的喀葉墨高速公路設(shè)計(jì)年限累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作用軸次可知,喀葉墨高速公路路面結(jié)構(gòu)反射裂縫擴(kuò)展壽命為8.02 a。因此,當(dāng)半剛性基層出現(xiàn)貫穿裂縫時(shí),該處瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命將縮減近一半。

5 結(jié) 論

筆者提出在基層出現(xiàn)貫通裂縫時(shí),采用JTGD 50—2017版《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》預(yù)估起裂壽命,采用改進(jìn)Paris公式預(yù)估裂縫擴(kuò)展壽命,以喀葉墨高速公路為例驗(yàn)證了該方程的準(zhǔn)確性。主要結(jié)論為:

1)反射裂縫擴(kuò)展前期受溫度和荷載影響,裂縫擴(kuò)展后期主要受交通荷載的影響,且裂縫擴(kuò)展速率主要受偏荷載影響。

2)實(shí)測(cè)得到基層有裂縫對(duì)應(yīng)位置處的瀝青面層層底拉應(yīng)變?yōu)?67.28 με,進(jìn)而計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為2.093 2×104次,與實(shí)際交通量相比,起裂壽命很小,幾乎可以忽略不計(jì)。

3)比較不同路面結(jié)構(gòu)參量可得,面層厚度對(duì)半剛性基層瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展壽命影響最大,其次為面層模量,基層厚度和模量對(duì)其影響較小。因此可通過(guò)增大面層厚度或減小面層模量的方式,提高半剛性基層瀝青路面使用壽命。