瀝青路面滑移裂縫擴展仿真及試驗研究

摘 要：文章以廣西某瀝青路面為研究對象，結合國內(nèi)外相關研究成果，采用擴展有限元法和試驗研究相結合的方法，探討了瀝青路面滑移裂縫的影響規(guī)律，并提出了相應的工程指導建議，可為后續(xù)瀝青路面的設計優(yōu)化提供理論支持和工程參考。

關鍵詞：瀝青路面；擴展有限元；參數(shù)試驗測定；滑移裂縫；路面試驗

中圖分類號：U416.217A190664

0"引言

目前，高速公路已經(jīng)成為支撐著我國經(jīng)濟發(fā)展的重要交通設施。截至2022年末，我國高速公路總里程已經(jīng)達到17.70×104 km，位于世界首位［1］。瀝青路面因其表面平整、不易滲漏、減震降噪效果顯著、行車舒適、可分段維修等優(yōu)點而被廣泛采用［2-3］。目前我國超過80%的高速公路都使用瀝青路面［4］。隨著瀝青路面的普及，對瀝青路面病害的研究和治理就十分重要。

瀝青路面常見病害種類有很多，Myers等［5］早在1998年就基于斷裂力學理論，通過有限元方法對瀝青路面表面裂縫進行了研究，認為瀝青路面表面裂縫的擴展的主要誘因是拉應力。Freitas等［6］也通過建立基于粘彈性原理的三維有限元模型，分別探討了車輪接地應力、瀝青混合料參數(shù)及施工工藝對表面裂縫中Top-Down裂縫（TDC）的影響，認為車輪輪跡邊緣的較大拉應力加上溫度降低產(chǎn)生的拉應力共同導致了微裂縫擴展成Top-Down裂縫。SUN等［7］發(fā)現(xiàn)近地表的水平拉應力可能是導致瀝青路面滑移裂縫拓展的主要因素，其中尤以輪胎邊緣外的水平拉應力更為顯著，且輪胎近表面載荷下的粗集料大多處于橫向壓縮狀態(tài)，但表層中存在明顯的拉應力，可能是微裂紋萌生和擴展的主要原因。Miao Y 等［8］結合混合邊界節(jié)點的方法和斷裂力學理論研究瀝青路面表面裂紋形成的主要因素，認為其主要形成原因是由較大的輪胎-路面接觸應力引起的。張珊珊［9］通過使用ABAQUS軟件建立瀝青路面表面裂紋三維模型，考慮了瀝青材料的勁度梯度、輪胎-路面接觸、溫度應力等因素，分析了瀝青路面表面裂縫的開裂機理。易昕［10］通過三維有限元方法分析了瀝青路面表面裂紋開裂機理，認為剪應力是表面TDC微裂縫開裂擴展的主要影響因素，還考慮了各結構層厚度和模量對其影響程度。胡淵［11］通過瀝青混合料小梁的三點彎曲試驗模擬瀝青路面表面裂縫擴展過程，認為瀝青面層厚度的適當增加可以降低表面裂縫擴展的速率，也會增加裂縫的疲勞壽命［12］。上述研究對于瀝青路面裂縫的研究具有意義，但依然存在不足。這些研究普遍按照100 kN的輪胎荷載計算標準，未考慮超載情況下路面的真實受力，且這些研究中對于面層-面層和面層-基層之間的接觸關系設置相對簡單，大多為光滑或連續(xù)，與實際瀝青路面層間連接方式不符［13-14］。因此，本研究以高速公路半剛性瀝青路面為研究對象，結合國內(nèi)外大量相關研究的成果，進行了綜合研究，提出了基于動力學實測數(shù)據(jù)輸入、編程與XFEM相結合的方法，并考慮了粘聚區(qū)本構模型，對瀝青路面表面裂縫擴展進行了全面研究。

1"滑移裂縫仿真計算模型及參數(shù)的確定

本文針對廣西某公路瀝青路面工程實例中瀝青路面滑移裂縫擴展情況進行研究，通過二次開發(fā)與有限元相結合建立了精細化仿真模型，選定了特定區(qū)域作為XFEM的計算區(qū)域，并對其材料參數(shù)進行了適當?shù)亩x。同時，利用MATLAB控制程序來定義材料的損傷準則以及損傷演化規(guī)律；通過施加實際測得的車輛動力學相應參數(shù)進行實際工況的模擬；最后在輸出變量中對XFEM裂紋相關參數(shù)進行輸出。

結合廣西某瀝青路面的實際工況，設置仿真模型建立結果如圖1所示。彈性模量參數(shù)來自文獻［15-16］。本研究主要研究的是瀝青路面滑移裂縫拓展，因此研究中需要結合室內(nèi)直剪試驗分析，來確定所需要的層間參數(shù)。本試驗研究中分別測試不同溫度下、不同粘結層材料用量以及不同粘結層材料作用下的層間抗剪強度。

試驗結果如表1所示，從而獲取聯(lián)合仿真所需要的層間各類瀝青材料的抗剪強度參數(shù)。此外，結合試驗結果可以得到，此路面裂縫開裂模型中，上面層-中面層層間強度選用范圍為0.1～0.5 MPa。根據(jù)相關公式［17-20］，可以計算出不同軸載情況下輪胎接地形狀以及接地壓強本節(jié)將對利用擴展有限元法［21-23］求解裂縫尖端應力強度因子的精確度進行驗證。

2"瀝青路面滑移裂縫擴展研究

基于前文中確定參數(shù)后的滑移裂縫仿真計算模型，本節(jié)設置輪胎荷載水平分別為100 kN、120 kN、140 kN和160 kN，上面層彈性模量為12 900 MPa，裂縫深度為0.5 cm，不設置水平荷載。荷載的施加位置如圖2所示（其余模型同理）。

根據(jù)圖3的計算結果可知，隨著軸載的增大，K Ⅰ和K Ⅱ 的絕對值也隨之增大。其中，K Ⅰ 為負，而K Ⅱ 為正。K Ⅰ 為負表示僅有軸載作用且作用位置在裂縫一側時，裂縫在張開方向上會呈現(xiàn)閉合趨勢。而隨著軸載的增大，趨勢會變得更加明顯。隨著水平荷載的增大，應力強度因子K Ⅰ 和K Ⅱ 均逐漸增大，且符號均為負。當荷載從100 kN增加到160 kN時，應力強度因子K Ⅰ 增加了17%。因此，對于已經(jīng)存在的橫向裂縫，在車輛剎車瞬間輪跡后方裂縫中點裂尖不會產(chǎn)生 Ⅰ 型張開裂縫的趨勢。相反，更容易產(chǎn)生 Ⅱ 型滑移裂縫。

本節(jié)中將對裂縫的位置對應力強度因子的影響進行定量研究。在本研究中，滑移裂縫在車輪接地區(qū)域的后方，將從裂縫距輪跡后緣距離為0～9 cm分別計算其應力強度因子。選用軸載為160 kN，水平荷載系數(shù)為行車方向0.7，上面層彈性模量為12 900 MPa，裂縫深度為0.5 cm。如下頁圖4顯示了滑移裂縫中點處STATUSXFEM在不同時間內(nèi)的變化情況。裂紋的擴展路徑已經(jīng)加粗顯示。觀察下頁圖4可以發(fā)現(xiàn)，當車輛剎車時，路面承受的瞬時拉應力非常大，導致在0.003 6 s時滑移裂縫中點處的豎向裂尖處的拉應力已經(jīng)達到了0.6 MPa，從而引起裂紋的擴展。由于上面層較薄，裂紋在0.013 4 s時已經(jīng)穿過了上面層。由于滑移裂縫中點處不僅是拉應力最大的位置，而且豎向擴展速度最快，因此裂紋在這里的擴展時間最短。其他位置的滑移裂紋在0.013 4 s之后開始沿著橫向和行車方向U形擴展。綜上可得，黏層油的存在抵消了一部分由上至下的應力傳遞，因此裂紋沒有在中間層上擴展。

其中，當STATUSXFEM=0時，模型裂紋還沒有達到損傷起始準則，則滑移裂紋沒有擴展；當0lt;STATUSXFEMlt;1時，此時材料開始累積損傷，裂紋開始出現(xiàn)，但并未出現(xiàn)宏觀開裂和擴展；當STATUSXFEMgt;1時，此時損傷累積已經(jīng)超過臨界值，宏觀裂紋正式張開擴展。

提取不同層間接觸形式下的層間作用力如下頁圖5所示，其中有黏層油的情況觀察其層間黏性的剛度退化率CSDMG，沒有黏層油的情況使用行車方向層間接觸作用力CSHEAR2未噴灑黏層油，當層間強度為0.3 MPa時，層間承受的最大剪應力為0.264 5 MPa，而隨著層間強度的提高，這種剪應力將保持不變；噴灑黏層油，當層間強度達到0.4 MPa時，層間就不會出現(xiàn)黏性失效和滑移現(xiàn)象。

3"瀝青路面工程實測分析

本文依托廣西某公路瀝青路面工程實例，針對數(shù)值仿真中所得到的相關結論，進行新建路面材料的參數(shù)匹配和工程優(yōu)化設計。經(jīng)過室內(nèi)測試與現(xiàn)場的追蹤調(diào)查研究顯示，乳化瀝青的相關性能指標，粘附性達2 MPa、粒徑分布均勻、稠度為700～800 cp、力學性能指標良好。在現(xiàn)場測試中，通過應力應變片、傳感器和采集分析一起，針對公路瀝青路面，進行相關的滑移裂縫檢測、路面狀態(tài)監(jiān)測。試驗結果與仿真結果得到了相互驗證，上面層厚度對發(fā)生層間滑移前的瀝青路面所受的裂縫應力影響不大，但是對發(fā)生層間滑移后的路面影響巨大，并且上面層厚度越大影響越小。另外，增大上面層厚度可以有效降低層間作用力，可以有效預防層間滑移病害。故結合仿真結果，應該在考慮經(jīng)濟因素的同時，保證上面層厚度最小應≥4 cm。

定量驗證的試驗結果如圖6所示，層間噴灑黏層油之后會使瀝青路面表層受力得到一定程度的降低；當層間強度為0.3 MPa之后，層間粘結失效情況不再發(fā)生惡化；使用層間黏層油并提高層間強度可以改善瀝青路面表層滑移裂縫破壞情況。

對于造成瀝青路面U形滑移裂縫拓展底部滑移裂縫的主要原因縱向拉應力，各影響因素的影響程度排序為：軸載gt;層間強度gt;上面層厚度gt;上面層彈性模量；對于造成瀝青路面U形滑移裂縫拓展兩側剪切型滑移裂縫的主要原因剪應力，各影響因素的影響程度排序為：上面層彈性模量gt;上面層厚度gt;軸載gt;層間強度。對此，可為后續(xù)瀝青路面的設計優(yōu)化提供更多的理論支撐和工程參考。

4"結語

本文以廣西某瀝青路面為研究對象，采用擴展有限元法和試驗研究相結合的方法，探討了瀝青路面滑移裂縫的影響規(guī)律，并提出了相應的工程指導建議。

（1）研究發(fā)現(xiàn)，垂直荷載和水平荷載對滑移裂縫擴展具有互相抑制的作用。在車輛制動時，滑移裂縫的擴展受軸載影響，裂縫類型為Ⅱ型滑移裂縫。同時，在制動瞬間，裂縫深度越短，對裂縫的擴展越不利。此時裂縫類型為由Ⅰ型開裂主導的Ⅰ～Ⅱ混合型裂縫。

（2）試驗跟蹤測試結果表明，在層間噴灑黏層油后，瀝青路面表層受力會得到一定程度的降低。當層間強度為0.4 MPa時，層間粘結失效情況不再發(fā)生惡化。此外，使用層間黏層油并提高層間強度可以改善瀝青路面表層滑移裂縫破壞情況。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，瀝青路面U形滑移開裂底部滑移裂縫的主要原因是縱向拉應力。各影響因素的影響程度排序為：軸載gt;層間強度gt;上面層厚度gt;上面層彈性模量。而剪切型滑移裂縫的主要影響程度排序為：上面層彈性模量gt;上面層厚度gt;軸載gt;層間強度。這些研究結果可為后續(xù)瀝青路面的設計優(yōu)化提供更多的理論支撐和工程參考。

參考文獻：

［1］中華人民共和國交通運輸部. 人民日報［EB/OL］. https：//www.mot.gov.cn/jiaotongyaowen/202106/t20210623_3610146.html，2021-06-23.

［2］王雙喜. 瀝青混凝土路面病害分析及應對措施 ［J］.黑龍江交通科技，2011，34（11）： 29-36.

［3］趙淑銘，劉亞娟. 高速公路瀝青路面病害成因分析 ［J］.公路交通科技（應用技術版），2013，9（7）：24-5，63.

［4］周志剛. 交通荷載下瀝青類路面疲勞損傷開裂研究 ［D］.長沙：中南大學，2003.

［5］MYERS L A，ROQUE R，RUTH B E. Mechanisms of Surface-Initiated Longitudinal Wheel Path Cracks in High-Type Bituminous Pavements ［J］. Asphalt Paving Technology，1998（67）：401-32.

［6］FREITAS E F D，PEREIRA P，PICADO-SANTOS L，et al. Effect of Construction Quality，Temperature，and Rutting on Initiation of Top-Down Cracking ［J］. Transportation Research Record，2005（1929）：174-82.

［7］SUN Y，DU C，ZHOU C，et al. Analysis of load-inducedtop-down cracking initiation in asphalt pavements using a two-dimensionalmicrostructure-based multiscale finite element method ［J］. Engineering Fracture Mechanics，2019（216）： 106497.

［8］MIAO Y，HE T G，YANG Q，et al. Multi-domain hybrid boundary node method for evaluating top-down crack in Asphalt pavements ［J］. Engineering Analysis with Boundary Elements，2010，34（9）： 755-60.

［9］張珊珊. 瀝青路面Top-Down裂縫開裂機理研究 ［D］.西安：長安大學，2012.

［10］易"昕. 三維有限元方法分析瀝青路面自上而下裂縫的擴展［D］.長沙：湖南大學，2006.

［11］胡"淵. 瀝青路面Top-Down裂紋形成機理 ［D］.武漢：華中科技大學，2012.

［12］何"偉. 半干旱地區(qū)瀝青路面Top-Down裂縫成因及影響因素分析［D］.保定：河北大學，2021.

［13］劉新偉，李文越.粉煤灰含量對嵌擠密實瀝青混合料性能的影響研究［J］.西部交通科技，2022（12）：53-56.

［14］羅俊友.基于路用性能的SBS改性瀝青混合料再生方式影響分析［J］.西部交通科技，2023（3）：9-11，87.

［15］DUARTE C A，ODEN J T. An h-p adaptive method using clouds ［J］. Computmethapplmecheng，1996，139（1-4）：237-62.

［16］徐"鋮. 含典型裂紋瀝青路面開裂擴展特性研究 ［D］.成都：西南交通大學，2017.

［17］謝水友. 輪胎接觸壓力對瀝青路面結構的影響研究 ［D］.西安：長安大學，2003.

［18］TARR S M，OKAMOTO P A，SHEEHAN M J，et al. Bond Interaction Between Concrete Pavement and Lean Concrete Base ［J］. Transportation Research Record，1999（1）：1 668.

［19］胡小弟，孫立軍. 實測重型貨車輪載作用下瀝青路面力學響應 ［J］. 同濟大學學報（自然科學版），2006（1）：64-68.

［20］黃曉明，代"琦，平克磊. 輪胎胎面與柔性路面摩擦接觸的數(shù)值分析 ［J］. 公路交通科技，2008（1）：16-20.

［21］張翔宇. 行車荷載和溫度作用下的瀝青路面滑移裂縫拓展研究 ［D］.長沙：湖南大學，2007.

［22］李"超. 交通荷載作用下瀝青路面開裂的有限元分析 ［D］.大連：大連理工大學，2010.

［23］余天堂. 模擬三維裂紋問題的擴展有限元法 ［J］. 巖土力學，2010，31（10）：3 280-3 285，3 294.20240428