閆 正， 婁中波

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

0 引言

我國(guó)高等級(jí)公路經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，現(xiàn)在的高速公路總里程已經(jīng)位居世界第二位，而瀝青路面又在我國(guó)高等級(jí)路面中占據(jù)主導(dǎo)地位.由于長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)道路行業(yè)始終遵循強(qiáng)基薄面的指導(dǎo)思想，所以半剛性瀝青路面在我國(guó)大量的修建.半剛性基層瀝青路面具有強(qiáng)度高、剛度大、整體性好、水穩(wěn)性和抗凍性好等優(yōu)良的路用性能，再加上半剛性材料分布廣泛、機(jī)械化施工程度高且工程造價(jià)較低，因此成為我國(guó)高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)的主要形式[1].但是由于半剛性材料干縮、溫縮系數(shù)較大，所以導(dǎo)致基層表面容易產(chǎn)生裂縫.基層表面裂縫的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致面層底部由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生反射裂縫.反射裂縫產(chǎn)生之后會(huì)進(jìn)而不斷向上發(fā)展，直至貫穿面層，這對(duì)路面的承載能力和其他使用性能都造成了比較大的損害.本文采用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)理論，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立二維含裂縫和不含裂縫路面模型，通過(guò)對(duì)兩種情況下路面應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12進(jìn)行對(duì)比，研究?jī)煞N路面狀態(tài)下應(yīng)力的分布情況，從而為半剛性基層瀝青路面的合理化設(shè)計(jì)提供一定的參考.

1 路面模型的建立

路面模型寬度為6m，深度為3m，應(yīng)用二維實(shí)體單元進(jìn)行離散處理.模型底面完全約束，對(duì)稱(chēng)面上限制垂直于對(duì)稱(chēng)面方向的位移;面層表面為自由面，沒(méi)有約束[2].含裂縫路面模型為在下面層底部設(shè)置一條3cm長(zhǎng)度的垂直裂縫，擴(kuò)展方向?yàn)榇怪毕蛏?由于常規(guī)有限元難以正確反映裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的奇異性，所以在裂縫尖端設(shè)置奇異單元來(lái)反應(yīng)裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的奇異性[3].路面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示.

圖1 路面結(jié)構(gòu)

路面模型中各項(xiàng)材料參數(shù)如表1所示

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)

A T B 1200 0.3 24 G M 350 0.35 15 C T B 1500 0.25 20 S G 40 0.4

在建立模型過(guò)程中假設(shè):(1)各結(jié)構(gòu)層均為均質(zhì)、各向同性的線(xiàn)彈性體.(2)路面上層表面作用雙圓垂直均布荷載.(3)各層界面為層間完全連續(xù)[4].

計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)的雙圓均布荷載，由于標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa是作用在兩個(gè)表面上的，而簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題后，施加荷載的大小不再是0.7MPa.根據(jù)靜力等效原則進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的大小為117371Pa[5]，即為模型中施加的荷載值.含反射裂縫路面模型和不含裂縫路面模型分別如圖2、圖3所示.

圖2 含裂縫路面結(jié)構(gòu)圖

圖3 不含裂縫路面結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算分析

選取荷載作用的內(nèi)外邊緣點(diǎn)(X=±0.26625，X=±0.05325)和原點(diǎn)(X=0)對(duì)應(yīng)的上面層頂面、上面層底部、中面層底部、下面層底部、上基層底部和下基層底部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12進(jìn)行分析.

2.1 兩種路面狀態(tài)下路面表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)S11及S12變化趨勢(shì)

從圖4和圖5可以看出含裂縫和不含裂縫對(duì)路面表面應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響:對(duì)于應(yīng)力S11，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)路面表面S11影響不大，基本與未出現(xiàn)裂縫時(shí)相同.而對(duì)于剪應(yīng)力S12來(lái)說(shuō)，裂縫的出現(xiàn)使得路面剪應(yīng)力較裂縫出現(xiàn)前發(fā)生了較大的變化，其中裂縫內(nèi)邊緣的剪應(yīng)力由裂縫出現(xiàn)前的18.64kPa增加到裂縫出現(xiàn)后的27.35kPa，增加的幅度達(dá)到了46.7%，由此可見(jiàn)路面下面層裂縫的出現(xiàn)對(duì)路面表面剪應(yīng)力S12的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)力S11的影響.

圖4 上面層頂面應(yīng)力S11變化趨勢(shì)

2.2 兩種路面狀態(tài)下上面層底部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的S11和S12變化趨勢(shì)

從圖6和圖7可以看出含裂縫和不含裂縫對(duì)路面上面層底部應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響:對(duì)于應(yīng)力S11，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)路面上面層底部S11影響不大，基本與未出現(xiàn)裂縫時(shí)相同.而對(duì)于剪應(yīng)力S12來(lái)說(shuō)，裂縫的出現(xiàn)使得路面剪應(yīng)力較裂縫出現(xiàn)前發(fā)生了較大的變化，其中裂縫內(nèi)邊緣的剪應(yīng)力由裂縫出現(xiàn)前的34.61kPa增加到裂縫出現(xiàn)后的47.41kPa，增加的幅度達(dá)到了37%，由此可見(jiàn)路面下面層裂縫的出現(xiàn)對(duì)上面層底部剪應(yīng)力S12的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)力S11的影響.

2.3 兩種路面狀態(tài)下中面層底部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的S11和S12變化趨勢(shì)

從圖8和圖9可以看出含裂縫和不含裂縫對(duì)路面中面層底部應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響:對(duì)于應(yīng)力S11，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)路面中面層底部S11影響不大，基本與未出現(xiàn)裂縫時(shí)相同.而對(duì)于剪應(yīng)力S12來(lái)說(shuō)，裂縫的出現(xiàn)對(duì)中面層底部剪應(yīng)力也未產(chǎn)生較大影響.

圖5 上面層頂面應(yīng)力S12變化趨勢(shì)

圖6 上面層底部應(yīng)力S11變化趨勢(shì)

2.4 兩種路面狀態(tài)下下面層底部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的S11和S12變化趨勢(shì)

圖7 上面層底部應(yīng)力S12變化趨勢(shì)

圖8 中面層底部應(yīng)力S11變化趨勢(shì)

圖9 中面層底部應(yīng)力S12變化趨勢(shì)

圖10 下面層底部應(yīng)力S11變化趨勢(shì)

圖11 下面層底部應(yīng)力S12變化趨勢(shì)

圖12 上基層底部應(yīng)力S11變化趨勢(shì)

圖13 上基層底部應(yīng)力S12變化趨勢(shì)

圖14 下基層底部應(yīng)力S11變化趨勢(shì)

圖15 下基層底部應(yīng)力S12變化趨勢(shì)

從圖10和圖11可以看出含裂縫和不含裂縫對(duì)路面下面層底部應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響:對(duì)于應(yīng)力S11，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)下面層底部S11影響主要體現(xiàn)在點(diǎn)X=0處，S11由不含裂縫時(shí)的46.35kPa增加到含裂縫后的84.80kPa，增加幅度達(dá)到82.96%.而對(duì)于剪應(yīng)力S12來(lái)說(shuō)，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)下面層底部S12影響也體現(xiàn)在點(diǎn)X=0處，此處剪應(yīng)力由裂縫出現(xiàn)前的幾乎為零增加到裂縫出現(xiàn)后的43.94kPa.由此可見(jiàn)路面下面層裂縫的出現(xiàn)對(duì)下面層底部剪應(yīng)力S12的影響遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)力S11的影響.

2.5 兩種路面狀態(tài)下上基層底部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的S11和S12變化趨勢(shì)

從圖12和圖13可以看出含裂縫和不含裂縫對(duì)路面上基層底部應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響:對(duì)于應(yīng)力S11，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)路面上基層底部S11影響較小，只是在裂縫出現(xiàn)后有非常小幅度的增加.而對(duì)于剪應(yīng)力S12來(lái)說(shuō)，裂縫的出現(xiàn)對(duì)上基層底部剪應(yīng)力未產(chǎn)生影響，兩條折現(xiàn)基本重合.

2.6 兩種路面狀態(tài)下下基層底部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的S11和S12變化趨勢(shì)

從圖14和圖15可以看出含裂縫和不含裂縫對(duì)路面下基層底部應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響:對(duì)于應(yīng)力S11，路面下面層底部出現(xiàn)裂縫對(duì)路面下基層底部S11基本未產(chǎn)生影響，兩條折現(xiàn)重合.而對(duì)于剪應(yīng)力S12來(lái)說(shuō)，裂縫的出現(xiàn)對(duì)下基層底部剪應(yīng)力影響較小，兩條折現(xiàn)基本重合.

3 結(jié) 論

本文給出了反射裂縫出現(xiàn)前后對(duì)路面表面以及路面各層底部應(yīng)力S11和剪應(yīng)力S12的影響情況，通過(guò)對(duì)比分析得出以下結(jié)論:

(1)下面層底部反射裂縫的產(chǎn)生對(duì)下面層底部應(yīng)力S11、剪應(yīng)力S12和路面表面與上面層底部剪應(yīng)力S12影響較大，而對(duì)于中面層、上基層和下基層的應(yīng)力S11、剪應(yīng)力S12以及路面表面和上面層的應(yīng)力S11影響較小，有的甚至沒(méi)有影響.

(2)下面層底部反射裂縫的出現(xiàn)對(duì)下面層裂縫區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了比較劇烈的影響，拉應(yīng)力S11較裂縫出現(xiàn)前增加了82.96%，而剪應(yīng)力S12更是從裂縫出現(xiàn)前的幾乎為零增加到裂縫出現(xiàn)后的43.94kPa.由此可見(jiàn)反射裂縫的產(chǎn)生主要對(duì)裂縫附近區(qū)域產(chǎn)生較大的影響，遠(yuǎn)離裂縫區(qū)域應(yīng)力變化不大，這也比較符合圣維南原理.

[1]張柳.半剛性基層瀝青路面防裂措施研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

[2]王宏暢，李國(guó)芬，黃曉明.高等級(jí)瀝青路面表面裂縫擴(kuò)展規(guī)律及壽命研究[J].公路交通科技，2007，24(7):10 －14.

[3]鐘陽(yáng)，李超.表面裂縫對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響分析[J].山西建筑，2010，36(34):271 －272.

[4]張蓓，李海龍，郭成超，等.瀝青路面表面裂縫擴(kuò)展分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(2):42 －45.

[5]廖公云，黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用[M].南京:東南大學(xué)出版社，2008.