陳 力，朱海鵬

（1.廣西壯族自治區(qū)建筑工程質(zhì)量檢測中心，廣西 南寧 530005；2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003）

0 引言

瀝青路面以其優(yōu)良的性能和良好的行車舒適度在我國高等級路面當(dāng)中占據(jù)著相當(dāng)大的比重，但是該路面容易在車輛往復(fù)荷載的作用下出現(xiàn)早期開裂現(xiàn)象，路面一旦開裂，在雨水和荷載作用下將加速破壞，最終導(dǎo)致路面的完全破壞，嚴(yán)重影響道路安全性能和使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為此對瀝青路面裂縫擴(kuò)展行為開展研究很有必要。

目前，基于常規(guī)有限元的瀝青混合料梁均質(zhì)模型斷裂模擬已相當(dāng)成熟，但是常規(guī)有限元在模擬裂縫擴(kuò)展過程中需不斷劃分網(wǎng)格，計(jì)算量大且不能實(shí)現(xiàn)裂縫擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)模擬；而當(dāng)下流行的擴(kuò)展有限元方法則能較好地解決這一問題，姚莉莉等［1］采用基于雙線性內(nèi)聚力模型的擴(kuò)展有限元方法對瀝青混合料劈裂試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行了模擬。張震韜等［2］對瀝青路面表面裂縫擴(kuò)展行為進(jìn)行了擴(kuò)展有限元模擬。Ban 等［3］將半圓彎曲斷裂試驗(yàn)和擴(kuò)展有限元模擬相結(jié)合，對細(xì)骨料混合物的斷裂特性進(jìn)行了研究。王輝明［4］對交通荷載、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素影響下的瀝青路面 Top-Down 裂紋開裂問題進(jìn)行了擴(kuò)展有限元分析。

瀝青路面實(shí)為顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料，包含骨料、瀝青基質(zhì)和膠漿等，骨料和空隙的存在對梁裂縫擴(kuò)展行為影響較大，目前學(xué)者對于包含骨料、空隙下的瀝青混合料梁細(xì)觀異質(zhì)模型裂縫擴(kuò)展行為研究相對較少。尹安毅［5］對基于隨機(jī)骨料分布和粘聚裂紋模型的瀝青混合料梁斷裂行為進(jìn)行了模擬分析。程一磊等［6］對裂縫偏離跨中不同距離的瀝青混合料梁細(xì)觀異質(zhì)模型斷裂行為進(jìn)行了分析。Gao 等［7］采用離散元方法模擬預(yù)切口瀝青混合料梁的三點(diǎn)彎曲斷裂行為，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，評價(jià)了骨料分布和預(yù)切口位置對梁斷裂的影響。Zhang 等［8］采用隨機(jī)骨料模型對不同骨料體積含量和深度的預(yù)缺口四點(diǎn)彎曲梁進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文基于 PFC 顆粒流軟件中的隨機(jī)骨料生成和投放算法，建立了包含骨料及空隙情況下的瀝青混合料梁細(xì)觀異質(zhì)模型，通過采用擴(kuò)展有限元方法對其進(jìn)行了不同骨料粒徑以及空隙存在下的梁裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬；從梁內(nèi)部最大主應(yīng)力變化、豎向位移變化等角度研究梁裂縫擴(kuò)展機(jī)理，為建立更準(zhǔn)確描述路面裂縫擴(kuò)展行為的數(shù)值模型提供參考。

1 瀝青混合料梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

1.1 瀝青混合料梁試件制作

本文試驗(yàn)制作了 3 根瀝青混合料梁，3 根梁預(yù)設(shè)裂縫分別位于梁底部的跨中、偏離跨中 2 cm 和偏離跨中 4 cm 的位置，除預(yù)設(shè)裂縫位置不一致外，梁其余參數(shù)皆保持一致，尺寸皆為 50、12、20 cm，預(yù)設(shè)裂縫深度皆為 6 cm。瀝青混合料梁由上、中、下三個(gè)面層通過粘層油粘接在一起，各面層瀝青混合料配合比均參照標(biāo)準(zhǔn)瀝青路面面層配合比制作而成，上面層采用 SBS 改性瀝青，中面層采用 SBS 改性瀝青，下面層采用 A H-70 H # 石油瀝青，各面層相關(guān)參數(shù)如表 1 所示。

表1 瀝青混合料梁各面層相關(guān)參數(shù)

1.2 瀝青混合料梁加載方式

采用位移加載方式對梁進(jìn)行加載，本次加載在MTS-809 萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率控制在1.5 mm/min。沿瀝青混合料梁寬度方向施加條形荷載，加載面積為 12 cm×5 cm，加載位置位于梁頂部居中位置。3 根瀝青混合料梁裂縫最終擴(kuò)展圖如圖 1 所示。

圖1 梁裂縫最終擴(kuò)展圖

由圖 1 可以看出，隨著預(yù)設(shè)裂縫逐漸偏離跨中位置，梁裂縫由一開始的豎直往上擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)槌奢d作用位置的斜向擴(kuò)展；裂縫擴(kuò)展遭遇骨料時(shí)，往往會(huì)繞過骨料進(jìn)行擴(kuò)展，待繞過骨料后又沿著原來的方向進(jìn)行擴(kuò)展；預(yù)設(shè)裂縫偏離跨中位置越遠(yuǎn)，裂縫擴(kuò)展越困難，裂縫擴(kuò)展最終路線偏離初始裂縫延長線角度越大。

2 數(shù)值模擬分析

為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，采用 PFC 顆粒流軟件中的隨機(jī)骨料生成與投放算法，建立了瀝青混合料梁細(xì)觀異質(zhì)模型。通過將粒徑＜ 2.36 mm 的細(xì)骨料與瀝青基質(zhì)作為基體，使得梁簡化為包含骨料和基體的兩相模型，骨料和基體相關(guān)材料參數(shù)如表 2 所示，不同粒徑的骨料簡化為不同大小的正八邊形，采用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則作為梁裂紋開裂準(zhǔn)則，采用雙線性損傷演化模型模擬裂紋演化過程，模型建立如圖 2 所示，模擬結(jié)果如圖 3 所示。

表2 骨料級配及材料屬性

圖2 梁細(xì)觀異質(zhì)模型

圖3 裂縫擴(kuò)展圖

對比試驗(yàn)圖 1 和數(shù)值模擬圖 3 結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩者在裂縫總體擴(kuò)展趨勢上保持了一致，且在遭遇骨料時(shí)局部擴(kuò)展路徑會(huì)發(fā)生較大程度的改變，但不影響整體擴(kuò)展趨勢，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較良好。

為進(jìn)一步從力學(xué)角度研究梁裂縫擴(kuò)展機(jī)理，對梁開裂前后最大主應(yīng)力變化進(jìn)行了分析，如圖 4 所示。

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，梁在開裂前［見圖 4（a）、圖 4（c）、（e）］，其內(nèi)部高應(yīng)力主要分布于裂縫尖端以及梁底部跨中兩個(gè)區(qū)域，表明梁在開裂前其內(nèi)部損傷主要集中在這兩個(gè)區(qū)域；并且預(yù)設(shè)裂縫偏離跨中位置越遠(yuǎn)，裂縫尖端高應(yīng)力分布范圍越小，由此可以解釋梁開裂前，預(yù)設(shè)裂縫距離跨中位置越遠(yuǎn)，開裂越困難的原因；梁開裂后［見圖 4（b）、圖 4（d）、圖 4（f）］，內(nèi)部高應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)移到裂縫尖端區(qū)域，此時(shí)梁底部跨中區(qū)域逐漸退出工作，損傷集中于裂縫尖端區(qū)域，裂縫擴(kuò)展速率加快。

為研究骨料粒徑對梁裂縫擴(kuò)展行為的影響，進(jìn)一步對細(xì)骨料模型下梁裂縫擴(kuò)展行為進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果如圖 5 所示。

圖4 梁開裂前后最大主應(yīng)力對比圖

圖5 梁細(xì)骨料模型裂縫擴(kuò)展圖

對比圖 3、圖 5 可以發(fā)現(xiàn)，兩種骨料粒徑分布下梁裂縫總體擴(kuò)展趨勢一致；細(xì)骨料分布形式下梁裂縫擴(kuò)展路徑相對平滑，這是由于骨料粒徑較小時(shí)，梁裂縫擴(kuò)展遭遇骨料時(shí)偏轉(zhuǎn)角度較小的緣故；此外，對比圖 3、圖 5 可以發(fā)現(xiàn)，在外加荷載、邊界約束等保持一致的條件下，梁采用細(xì)骨料分布形式，其豎向位移、裂縫底端張開位移要明顯小于相應(yīng)的粗骨料梁，表明梁采用某種程度上的細(xì)骨料分布形式能更好地抵抗裂縫擴(kuò)展以及豎向沉陷。

實(shí)際瀝青路面當(dāng)中，空隙的存在對于路面裂縫擴(kuò)展行為及疲勞壽命有著較大的影響，以往學(xué)者在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)較少將其考慮在內(nèi)。本文在建立包含骨料的梁細(xì)觀異質(zhì)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入空隙，研究其對于梁裂縫擴(kuò)展的影響，并將其與單一骨料模型下梁裂縫擴(kuò)展行為進(jìn)行對比分析，模型建立如圖 6 所示，梁裂縫擴(kuò)展對比圖如圖 7 所示。

圖6 加入空隙的三點(diǎn)彎曲梁細(xì)觀異質(zhì)模型

圖7 梁裂縫擴(kuò)展對比圖

觀察圖 7 可以得出，空隙加入后梁豎向沉陷增加較明顯，且沉陷主要集中于荷載作用位置附近，這主要是由于該位置處的空隙在較大程度上被壓縮的緣故，這表明空隙的加入在一定程度上會(huì)削弱梁的剛度，使得梁局部沉陷增加。

對比兩者模擬過程還發(fā)現(xiàn)，加入空隙后的梁開裂所需荷載要明顯大于單一骨料形式下的開裂荷載，為研究其中原因，進(jìn)一步對兩種模型下梁開裂前最大主應(yīng)力分布進(jìn)行了對比分析，如圖 8 所示。

圖8 三點(diǎn)彎曲梁最大主應(yīng)力對比圖

觀察圖 8 可以得出，空隙的加入較大地影響了梁內(nèi)部應(yīng)力分布，使得梁內(nèi)部高應(yīng)力分布范圍變小且變的不連續(xù)，這主要是因?yàn)榭障锻ㄟ^壓縮變形吸收了部分從荷載作用位置傳遞過來的應(yīng)力，使得應(yīng)力在傳遞過程中削弱得更快，因此梁更難以開裂。

由此可知得出，空隙在某種程度上能較大地提高梁抵抗裂縫擴(kuò)展的能力，但卻會(huì)使得梁剛度減弱，豎向沉陷增加，為此在考慮瀝青混合料配合比時(shí)，應(yīng)綜合考慮空隙對于梁抵抗裂縫擴(kuò)展的優(yōu)勢以及引起路面沉陷的劣勢，選取最符合路面使用性能的空隙比。

3 結(jié)論

本文通過對預(yù)設(shè)裂縫瀝青混合料梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)，探討裂縫位置的改變對于擴(kuò)展路徑以及擴(kuò)展難易程度的影響；采用擴(kuò)展有限元方法對梁細(xì)觀異質(zhì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬；在驗(yàn)證模型合理性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對不同骨料粒徑、空隙加入后的梁細(xì)觀異質(zhì)模型裂縫擴(kuò)展行為進(jìn)行了分析。本文成果對于梁裂縫擴(kuò)展影響因素的研究以及建立更準(zhǔn)確反映路面裂縫擴(kuò)展行為的數(shù)值模型具有一定的參考價(jià)值。

1）梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)設(shè)裂縫偏離跨中位置越遠(yuǎn)，其對梁承載能力削弱作用越小，梁開裂越困難，裂縫擴(kuò)展路徑偏離預(yù)設(shè)裂縫延長線角度越大。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明預(yù)設(shè)裂縫位置對于梁內(nèi)部應(yīng)力影響較大，開裂前梁內(nèi)部高應(yīng)力主要分布于梁底部跨中和裂縫尖端區(qū)域，開裂后則主要分布于裂縫尖端區(qū)域，可以較好地解釋試驗(yàn)當(dāng)中梁開裂前裂縫擴(kuò)展速率緩慢，開裂后擴(kuò)展加快的現(xiàn)象。

3）粗、細(xì)兩種骨料分布形式下梁裂縫總體擴(kuò)展趨勢保持一致，但梁采用適當(dāng)粒徑的細(xì)骨料分布能更好地抵抗裂縫擴(kuò)展、減少豎向沉陷。加入空隙后的梁抵抗裂縫擴(kuò)展的能力有所提高，但剛度有所削弱，豎向沉陷有所增加。為此對于瀝青路面，在進(jìn)行瀝青混合料配制時(shí)，應(yīng)選取最佳空隙比，使得路面既能較好地抵抗裂縫擴(kuò)展，又不至于引起較大路面沉陷。