韓　丁，李　陽，劉東澤，朱俊驊，黃曉明

(1.合肥工業(yè)大學　土木與水利工程學院，安徽　合肥　230009；2.合肥工業(yè)大學　交通運輸工程學院，安徽　合肥　230009；3.中鐵城市規(guī)劃設計研究院有限公司，安徽　蕪湖　241000；4.東南大學　交通學院，江蘇　南京　210096)

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拓寬道路接縫區(qū)域瀝青路面的疲勞損傷特性

韓丁1，李陽2，劉東澤3，朱俊驊2，黃曉明4

(1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009；2.合肥工業(yè)大學交通運輸工程學院，安徽合肥230009；3.中鐵城市規(guī)劃設計研究院有限公司，安徽蕪湖241000；4.東南大學交通學院，江蘇南京210096)

為了研究拼接路面結構的合理設計方法，依托合寧高速公路擴建工程對拼接工況下瀝青面層的疲勞損傷特性進行分析?；谄唇咏涌p兩側基層的當量回彈模量分布規(guī)律和以應力為變量的瀝青混凝土損傷演化方程，通過接縫區(qū)域瀝青面層的損傷狀況, 分析不同路面結構參數(shù)和軸載水平對瀝青面層壽命的影響。隨著軸載次數(shù)的累積，道路會出現(xiàn)加速破壞的趨勢。接縫兩側基層頂面的當量回彈模量差異是決定接縫處瀝青層疲勞壽命的關鍵因素，而依靠增加接縫處瀝青層厚度來延緩反射裂縫的效果不明顯。結果表明，接縫區(qū)域瀝青面層疲勞損傷的研究可以用來指導路面結構的優(yōu)化設計，并可對《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2006)中瀝青面層的當量軸次和抗拉強度結構系數(shù)中的參數(shù)進行拼接工況下的優(yōu)化。

道路工程；拼接特性；數(shù)值模擬；接縫區(qū)域；損傷累積；瀝青混凝土

0　引言

我國早期建成的高速公路大多數(shù)是雙向四車道，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，有一部分已不能適應交通量增長的要求，迫切需要擴大道路通行能力。對已有高速公路進行加寬改建，具有占地拆遷較少、工程投資相對較小的優(yōu)勢，目前多采用老路拓寬的方案。新老路面結構拼接后的力學評價與路面結構設計參數(shù)選取等都與新建路面有很大區(qū)別。

黃曉明等[1]通過室內(nèi)試驗和有限元仿真分析了加筋路基對加寬路面結構的影響。韓丁等[2]選用拼接路基頂面的最大沉降量作為目標函數(shù)，研究了路基拼接工況下模型的靈敏度函數(shù)和最敏感參數(shù)，并計算了鋪筑路面結構層引起的路基頂面差異沉降。楊濤[3]等建立了能夠考慮路面、路基和地基相互作用的彈塑性有限元整體分析模型，提出了高速公路雙側拓寬工程差異沉降控制標準。馬曉暉等[4]通過有限元計算分析，研究了新老路面拼接臺階尺寸對拼接結構受力的影響，并提出了適宜的臺階寬度。以連續(xù)介質(zhì)力學與不可逆熱力學為基礎的連續(xù)介質(zhì)損傷力學是一個很好的分析方法。Mo基于瀝青-碎石膠結和砂漿疲勞參數(shù)的多孔瀝青混凝土松散研究[5]，使用單調(diào)動態(tài)控制應力試驗數(shù)據(jù)提出了瀝青黏結碎石單調(diào)動態(tài)的剪切開裂損傷模型[6]。崔華杰[7]等研究了高模量瀝青混凝土低溫抗裂性能。Kim[8]使用有限元法提出預測瀝青混凝土非線性損傷和斷裂性能的計算本構模型。Zoa[9]基于黏彈性有限元模型分析了不同車輛速度、結構與荷載形式和材料溫度下瀝青路面的疲勞壽命?？嫡\[10]等在清水和氯化鈉飽和溶液中，進行凍融條件下瀝青混凝土疲勞性能研究，分析疲勞破壞的作用機理。董忠紅[11]進行不同荷載級別和不同應力比下的疲勞試驗，分析荷載級別和壓應變對瀝青混凝土疲勞行為的影響，并建立考慮壓應力影響的疲勞預估模型。國內(nèi)外學者使用損傷和斷裂力學對混凝土受力破壞進行了一些研究，但很少有關于拼接接縫兩側存在差異的瀝青混凝土疲勞累積損傷的研究。本文通過分析道路拼接接縫處的受力工況，提出優(yōu)化接縫處路面結構設計的方法，并研究了荷載水平對接縫處瀝青層壽命的影響。

1　接縫處分析工況

新老路面結構接縫處的拼接工況如圖1所示，將重要分析區(qū)域設定為有限元結果顯示區(qū)域。有限元網(wǎng)格的劃分如圖2所示，左右兩側施加水平向位移約束，底側施加水平和豎直向位移約束，按規(guī)范的雙圓形式進行加載，輪胎接地壓強為0.7 MPa。最不利受力位置是雙圓荷載右側圓的中心與拼接接縫處于一條豎向直線上，有限元模型中接縫位置的瀝青層底設置一個奇異點。

圖1　拓寬工程接縫處路面結構設計工況(單位：m)Fig.1　Design conditions of joint pavement structure in widening engineering(unit:m)

圖2　接縫處瀝青層的壽命計算模型Fig.2　Computation model of life of asphalt pavement on a joint

本文依托的合寧高速公路擴建工程原有道路的水泥路面采用多頭破碎機(MHB)進行碎石化處理，拼接路面結構中水泥穩(wěn)定碎石基層的頂面標高與之齊平，此后再共同鋪筑瀝青面層。通過承載板檢測獲得接縫兩側基層頂面當量回彈模量的分布見圖3[12]。

圖3　接縫兩側基層頂面當量回彈模量的分布Fig.3　Distribution of equivalent rebound modulus on both sides of a base joint

2　路面結構參數(shù)的影響與優(yōu)化設計

基層材料參數(shù)采用圖3中的頂面當量回彈模量分布，SMA-13、AC-20和AC-25的彈性模量選用1 600，1 400，1 200 MPa，泊松比都為0.3，將該參數(shù)組合作為基準狀態(tài)。

2.1路面結構參數(shù)的影響

在參數(shù)組合基準狀態(tài)的基礎上，逐個采用表1中參數(shù)值進行相應的替換，形成7種不同的分析工況，其中接縫處穩(wěn)層頂面當量回彈模量E1和原有路面頂面當量回彈模量E2各包含兩組取值。分別對不同參數(shù)組合工況下的計算模型進行靜載分析，獲得初次荷載作用下的最大層底拉應力σ0和瀝青層底奇異點的應力強度因子K0。將各參數(shù)組合下的瀝青層底最大拉應力σ0分別代入式(1)[12]，得到相應的損傷演化方程后進行應力-損傷全耦合有限元分析，得到瀝青層底開裂前(損傷變量D=1.0)承受的累積軸次，結果見表1。

(1)

式中，σ為壓實力；N為累積作用次數(shù)。

表1　結構層參數(shù)選用與計算結果Tab.1　Parameters selection and computational result of structural layers

各參數(shù)組合下，累積荷載作用時奇異點應力強度因子的演化過程如圖4所示。隨著軸載次數(shù)的增加，應力強度因子的增長呈加速趨勢，這表明道路會加速破壞。實際道路在使用過程中，即使交通量保持穩(wěn)定，病害也會隨著服役時間的增長而加速出現(xiàn)，與上述結論一致。從圖中可看出，接縫兩側基層的頂面當量回彈模量應保持一致，如差異較大，會明顯降低接縫處瀝青層的疲勞壽命；接縫兩側基層的頂面當量回彈模量存在差異時，瀝青層厚度變化對接縫處瀝青層疲勞壽命的影響不大，僅依靠增加接縫處瀝青層厚度來延緩反射裂縫的措施有待商榷；瀝青中面層的彈性模量對接縫處瀝青層的疲勞壽命影響不大，但瀝青底面層彈性模量的影響較大。

圖4　不同參數(shù)組合時奇異點應力強度因子的演化Fig .4　Evolution of stress intensity factor of singularities in different parameter combinations

2.2接縫處路面結構的優(yōu)化設計

分別以基準參數(shù)組合時的計算參數(shù)和開裂前軸次作為分母，將表1中選取的不同材料參數(shù)及其對應的開裂前軸次作為分子，得到不同路面結構參數(shù)變化對接縫處瀝青層疲勞壽命的影響，見圖5。圖中曲線的斜率越大，表明該參數(shù)對接縫處瀝青層疲勞壽命的影響越大，在路面結構優(yōu)化設計中應予以優(yōu)先考慮。

當接縫兩側基層頂面的當量回彈模量相同時，即使該值較低，接縫處瀝青層也具有較高的疲勞壽命。如圖5中A和B點都表明兩側基層頂面的當量回彈模量值相同，分別為293 MPa和358 MPa，其對應的接縫處瀝青層疲勞壽命都較高。因此，接縫兩側基層頂面的當量回彈模量差異是決定接縫處瀝青層疲勞壽命的關鍵因素。

圖5　不同參數(shù)對疲勞壽命的影響Fig.5　Influences of different parameters on fatigue life

3　荷載水平對接縫處瀝青層壽命的影響

道路使用過程中會承受不同的車輛軸載，可基于瀝青混凝土損傷演化方程來研究車輛荷載水平對拼接接縫處瀝青層壽命的影響。

3.1輪胎接地壓強的影響

按表2改變輪胎接地壓強的大小，分別對計算模型進行靜載分析，獲得初次荷載作用下的最大層底拉應力σ0和瀝青層底奇異點的應力強度因子K0。將各輪胎接地壓強水平下的瀝青層底最大拉應力σ0分別代入式(1)，得到相應的損傷演化方程后進行應力-損傷全耦合有限元分析，得到瀝青層底開裂前(損傷變量D=1.0)承受的累積軸次，結果見表2。

不同輪胎接地壓強下，累積荷載作用時奇異點應力強度因子的演化過程如圖6所示。隨著輪胎接地壓強的逐漸提高，接縫處瀝青層開裂前的累積軸次逐漸降低，但不會急劇變化。

表2　不同輪胎接地壓強的計算結果Tab.2　Computational results of different tire grounding pressures

圖6　輪胎接地壓強對疲勞壽命的影響Fig.6　Influences of different tire grounding pressures on fatigue life

3.2基于損傷等效的接縫處瀝青層當量軸次N

圖7　損傷等效N與規(guī)范推薦N的比較Fig.7　Comparison of N values between damage equivalence and standard recommendation

進行瀝青層底拉應力驗算時，單次軸載換算的函數(shù)形式為：

(2)

式中，P為標準軸載100 kN；P1為需要轉(zhuǎn)換的軸載；N是轉(zhuǎn)化為標準軸載作用的次數(shù)；p為標準輪胎接地壓強0.7 MPa；p1為需要轉(zhuǎn)換的輪胎接地壓強。

《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2006)規(guī)定n=4.35，此時將表2中的不同輪胎接地壓強分別代入式(2)，得到的結果見圖7。比較圖中兩條曲線，可見考慮拼接工況與否對當量軸次的影響較大。針對合寧高速擴建工程，在驗算接縫處瀝青層底拉應力時，使用式(2)擬合基于損傷等效的有限元計算結果，得到n=2.619。因為接縫兩側基層頂面的當量回彈模量差異是決定接縫處瀝青層疲勞壽命的關鍵因素，所以軸載值影響的重要性被相對削弱。

3.3基于損傷等效的接縫處瀝青層抗拉強度結構系數(shù)Ks

在某一軸載累積作用下達到臨界破壞狀態(tài)時，瀝青層底奇異點處的應力強度因子值等于瀝青混凝土的斷裂韌度。瀝青混凝土的斷裂韌度KIC=0.28 MPa·m1/2[13]，與各初始單次輪胎接地壓強下瀝青層底奇異點處應力強度因子K0的比值可用來計算相應軸載水平下瀝青層的抗拉強度結構系數(shù)KS=KIC/K0，使用表2的數(shù)據(jù)對系數(shù)KS分別進行計算，結果見圖8。

圖8　損傷等效KS與規(guī)范推薦KS的比較Fig.8　Comparison of KS values between damage equivalence and standard recommendation

瀝青混凝土面層的抗拉強度結構系數(shù)KS的函數(shù)形式為：

(3)

式中，Ne是設計年限內(nèi)一方向上一個車道的累計當量軸次；Ac是公路等級系數(shù)，高速公路一級公路為1.0，二級公路為1.1，三、四級公路為1.2。

《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2006)規(guī)定a=0.09，b=0.2，此時將表2中的開裂前軸次Ne分別代入式(3)，得到的結果見圖8。比較圖中兩條曲線，可見基于損傷等效的接縫處抗拉結構強度系數(shù)要明顯大于規(guī)范中推薦公式的計算值，這表明拼接工況下使用規(guī)范推薦公式偏于不安全。目前的拼接路面結構設計常采用新建道路的設計方法，結果導致接縫處容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。針對合寧高速擴建工程，在驗算接縫處瀝青混凝土面層的抗拉強度結構系數(shù)時，使用式(3)擬合基于損傷等效的有限元計算結果，得到a=0.028 47，b=0.384 8。

4　結論

(1)隨著荷載作用次數(shù)的累積，應力強度因子的增長呈加速趨勢，這表明道路會出現(xiàn)加速破壞。接縫兩側基層頂面的當量回彈模量差異是決定接縫處瀝青層疲勞壽命的關鍵因素，依靠增加接縫處瀝青層厚度來延緩反射裂縫的效果不明顯。瀝青中面層的彈性模量對接縫處瀝青層的疲勞壽命影響不大，但瀝青底面層彈性模量的影響較大。

(2)通過分析不同輪胎接地壓強對接縫處瀝青層疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)拼接工況下當量軸次和抗拉強度結構系數(shù)的計算結果與規(guī)范推薦公式的計算值有較大不同。通過調(diào)整規(guī)范推薦公式的系數(shù)，為彌補當前規(guī)范未考慮拼接工況的不足提供了一種方法。

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Fatigue Damage Property of Asphalt Pavement in Joint Region of Road Widening

HAN Ding1，LI Yang2,LIU Dong-ze3，ZHU Jun-hua2，HUANG Xiao-ming4

(1. School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China；2. School of Transportation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China；3. China Railway Urban Planning & Design Institute Co., Ltd.，Wuhu Anhui 241000，China；4.School of Traffic，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)

In order to study the reasonable design method of pavement structure with joints, depend on the Hefei-Nanjing expressway extension project, fatigue damage property of asphalt pavement with joints is analysed. Based on the distribution regularity of equivalent rebound modulus on both sides of a base juncture and the damage evolution equation of bituminous mixture in stress variable, through the damage state of asphalt pavement on joint region, the effects of different structural parameters and axle load levels on the asphalt pavement life are analyzed. With the accumulation of axle load times, road exhibits a tendency of accelerated failure. The difference of equivalent rebound modulus between both sides of a base juncture is the key factor of the fatigue life of asphalt layers in joint region, while the thickness increment of asphalt pavement on a joint region has a unconspicuous effect to delay reflection crack. The result shows that (1) the study of fatigue damage on the joint region can guide the optimization design of pavement structure; (2) for the parameters of the equivalent axle load and the tensile strength structural coefficient provided inSpecificationsforDesignofHighwayAsphaltPavement(JTG D50—2006), the study can revise these parameters under continuation condition.

road engineering; widening characteristic; numerical simulation; joint region; damage accumulation; asphalt concrete

2015-03-19

國家自然科學基金項目(51008109)；安徽省住房城鄉(xiāng)建設科學技術計劃項目(2013YF-01)

韓丁(1982-)，男，安徽肥東人，副教授，工學博士，碩士生導師.(handing@hfut.edu.cn)

U416.2

A

1002-0268(2016)08-0001-05

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.001