（陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

我國(guó)瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式為半剛性基層瀝青路面，而半剛性基層瀝青路面的開(kāi)裂是現(xiàn)階段主要的養(yǎng)護(hù)難題。通常在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中，新建路面在通車3-5年后即會(huì)發(fā)生開(kāi)裂0，根據(jù)交通部對(duì)我國(guó)公路的抽檢調(diào)查數(shù)據(jù)[2]顯示，路面裂縫是我國(guó)公路最主要的病害形式。如果不能及時(shí)、準(zhǔn)確的修補(bǔ)裂縫，開(kāi)裂路面會(huì)在環(huán)境作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，直接導(dǎo)致路面壽命的縮短。因此，本文通過(guò)對(duì)半剛性基層瀝青路面的開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行總結(jié)分析，以期對(duì)裂縫的防治提供思路。

半剛性基層路面的結(jié)構(gòu)通常為無(wú)機(jī)結(jié)合料層和瀝青面層組成，半剛性基層由于其較強(qiáng)的剛度和低廉的價(jià)格被我國(guó)廣泛采用，而瀝青面層屬于柔性層，由于其良好的行車舒適性，使其逐漸成為了我國(guó)的主要面層結(jié)構(gòu)。瀝青層與半剛性基層間材料性質(zhì)存在著巨大的差異，因此裂縫的形成與擴(kuò)散有著多種形式。按照裂縫的形成原因，可以將路面裂縫分為荷載型裂縫（Load-Type crack）與非荷載型裂縫（Non-load type crack），當(dāng)路面上重型車輛過(guò)多導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)無(wú)法承受行車荷載時(shí)，路面會(huì)發(fā)生荷載型開(kāi)裂，這時(shí)形成的裂縫即荷載型裂縫（圖1所示），主要內(nèi)在原因出在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，路用材料不合格或者施工質(zhì)量問(wèn)題，外在原因是路面老化或者超載。非荷載型裂縫主要是由溫度變化引起的溫縮裂縫、溫度疲勞裂縫以及基層反射傳遞上來(lái)的反射裂縫組成（圖2所示）。因此，本文分別對(duì)荷載型裂縫與溫度型裂縫的開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)。

圖1 Top-Down 荷載型疲勞裂縫示意圖

圖2 Bottom-Up 非荷載裂縫示意圖

1 荷載作用下瀝青路面開(kāi)裂機(jī)理

本文路面力學(xué)響應(yīng)計(jì)算通過(guò)Abaqus 計(jì)算軟件完成，計(jì)算假定路面各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)的各向同性線彈性體；路面結(jié)構(gòu)層間完全連續(xù)，裂縫寬度w=3mm，裂縫形式為上面層貫通縫；接觸分為一般接觸（切向摩擦接觸、法向硬接觸）和完全連續(xù)（tie）兩種情況。邊界設(shè)置為路表自由，路面其余方向法向約束，土基底部固定。路面結(jié)構(gòu)尺寸采用常見(jiàn)的4cm、6cm、8cm 厚度，基層采用5%水穩(wěn)基層、底基層采用3%水穩(wěn)底基層，厚度分別為24cm 和28cm，土基厚度和水平方向均取10m，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

1.1 不同荷載作用位置界面受力特性

根據(jù)靜載作用位置的不同，載荷工況可分為居中荷載（圖3）和單側(cè)偏載（圖4）。計(jì)算時(shí)裂縫寬度取w=3mm。不同布載情況下的剪應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。

圖3 居中荷載示意圖

圖4 單側(cè)偏載示意圖

圖5 居中荷載下修補(bǔ)界面豎向剪應(yīng)力云圖

圖6 單側(cè)偏載下修補(bǔ)界面豎向剪應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果分析：裂縫處的剪應(yīng)力具有明顯的奇異性，且數(shù)值較居中荷載高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，綜合考慮應(yīng)力分布，單側(cè)偏載下裂縫壁界面會(huì)處于更不利的工況，說(shuō)明單側(cè)偏載引起的剪應(yīng)力是造成裂縫發(fā)生和擴(kuò)展的主要原因。因此，下述計(jì)算的布載方式取單側(cè)偏載，分析偏載下的不同裂縫寬度以及不同軸載對(duì)裂縫壁界面的影響。

1.2 不同裂縫寬度對(duì)裂縫修補(bǔ)體系的影響

本文分析裂縫寬度對(duì)界面豎向剪應(yīng)力的影響時(shí)，布載方式采用單側(cè)偏載，裂縫寬度取0.5mm、3mm、5mm、10mm 四種裂縫寬度進(jìn)行對(duì)比分析，界面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同裂縫寬度下界面最大豎向剪應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果分析：由圖7可知，裂縫寬度從0.5mm 的微裂縫增大到10mm大裂縫時(shí)，裂縫界面的豎向剪應(yīng)力逐漸增大。相較于0.5mm 裂縫寬度界面的剪應(yīng)力，裂縫寬度為3mm、5mm、10mm 時(shí)的修補(bǔ)界面剪應(yīng)力分別增大了2.20%、5.89%、14.35%。說(shuō)明裂縫寬度的增大對(duì)修補(bǔ)會(huì)產(chǎn)生不利影響，更容易力學(xué)脫粘。

1.3 不同軸載對(duì)裂縫修補(bǔ)體系的影響

重復(fù)的車輛荷載會(huì)引起瀝青路面從上表面出現(xiàn)Top-Down 荷載型疲勞裂縫。我國(guó)路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需將所有軸次統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載下的軸次，實(shí)際作用在路面上的軸載會(huì)出現(xiàn)大于100KN 的情況。根據(jù)我國(guó)不同車輛類型的軸載，本文選取100KN、150KN 以及180KN 軸載計(jì)算裂縫界面的應(yīng)力值，路面裂縫寬度取w=3mm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同軸載下界面豎向應(yīng)力值

結(jié)果分析：由表3可知，軸載從100KN 增大到180KN 時(shí)，界面豎向剪應(yīng)力出現(xiàn)增大的情況（增大79.98%），說(shuō)明該應(yīng)力對(duì)荷載數(shù)值較為敏感。因此，軸載的增大會(huì)加速裂縫的擴(kuò)展過(guò)程，對(duì)裂縫壁產(chǎn)生顯著不利影響，需控制重載甚至超載車輛的通行。

2 溫度作用下瀝青路面開(kāi)裂機(jī)理

溫度開(kāi)裂是我國(guó)瀝青路面開(kāi)裂的主要原因。在夏季，瀝青路面受熱膨脹，裂縫趨于收縮閉合，在冬季，低溫使得瀝青路面收縮，裂縫呈現(xiàn)向兩側(cè)擴(kuò)張的趨勢(shì)。因此需分析溫度作用對(duì)裂縫界面的影響。本文溫度場(chǎng)分析路面采用熱傳遞單元DC2D8，溫度應(yīng)力分析時(shí)選用CPE4R，溫度場(chǎng)參數(shù)和材料熱參數(shù)參考相關(guān)資料0，溫度場(chǎng)邊界條件見(jiàn)表2。

表3 溫度場(chǎng)分析邊界條件

溫度場(chǎng)裂縫計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 溫度場(chǎng)開(kāi)裂界面位移結(jié)果

計(jì)算結(jié)果分析：根據(jù)周期性變溫的分析結(jié)果，冬季路面水平受拉位移大于夏季，最大應(yīng)變發(fā)生于路表，冬季瀝青路面更容易產(chǎn)生裂縫；且溫度引起的水平位移較荷載作用大，因此冬季瀝青路面低溫開(kāi)裂是路表開(kāi)裂的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)瀝青混凝土路面受溫度和荷載作用開(kāi)裂的分析計(jì)算結(jié)果顯示，車輛超載和溫度變化都會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生不利影響，且溫度裂縫常常是因冬季低溫作用產(chǎn)生，因此防治路面裂縫需要提高瀝青混凝土材料的低溫?cái)嗔秧g性以及減少重載、超載車輛的通行。