蘇 璇，錢四江，趙文杰，李 晨，陳荻秋，申志福

（南京工業(yè)大學，江蘇 南京 211816）

路面裂縫是一種常見的公路病害，其原因包括砼路面養(yǎng)護周期不足、路基不均勻沉降和路基壓實度不均勻等。而山區(qū)邊坡變形導致道路路基沉降，加之車輛往復加載導致路面開裂是山區(qū)路面開裂的重要原因。針對路面裂縫的形成過程和數(shù)值模擬，許多學者進行了相關(guān)研究。陳小波等[1]利用FLAC 3D 有限差分法分析了路塹高邊坡支護模型。王海剛等[2]用FLAC 3D 軟件對北京高麗營地裂縫進行了模擬研究。艾長發(fā)等[3]利用有限元數(shù)值模擬方法研究了移動荷載下瀝青路面復合斷裂的特性。萬金晶等[4]以投影特征提取為基礎(chǔ)對路面裂紋特征的提取與分類算法進行了研究。賈磊[5]提出了一種基于改進的邊緣提取算法的路面裂紋檢測方法。理論上，根據(jù)裂縫的萌生、發(fā)展過程，裂縫的幾何形態(tài)反向分析土體大變形的誘因、發(fā)展階段和危險程度等關(guān)鍵信息對于防范山區(qū)公路病害、提高山區(qū)道路損壞風險預(yù)警水平具有重要意義。然而，路面開裂的裂縫形成過程與路基變形的關(guān)系尚無系統(tǒng)研究。

為此，本研究首先對某山區(qū)道路的路面開裂進行了現(xiàn)場調(diào)研，獲得了路面裂縫的形態(tài)、邊坡幾何參數(shù)及變形情況；隨后基于現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，構(gòu)建了離散元-有限差分耦合數(shù)值模擬模型，對車輛荷載下的路面開裂進行了模擬分析，論證了研究方法的可靠性。

1 山區(qū)道路裂縫及周邊環(huán)境調(diào)研

目標區(qū)域?qū)賮啛釒嘏瘽駶櫦撅L氣候，熱量豐富，雨量充沛；調(diào)研區(qū)域無地表水體。首先對目標區(qū)域進行了初步調(diào)查，選擇其中一段邊坡變形明顯、路面裂縫發(fā)展嚴重，裂縫發(fā)展方向、形狀等特點明顯的道路進行深入調(diào)研。該段道路長約50 m，坡角約為45°。區(qū)內(nèi)地層為第四系土層，主要由素填土、滑坡堆積土和殘坡積粉質(zhì)黏土構(gòu)成，組成下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)遂寧組泥巖。通過GPS 測量建立三維模型地形圖，如圖1 所示，其中黑色區(qū)域為道路。道路上現(xiàn)存的裂縫照片和三維構(gòu)建的模型如圖2 所示。

圖1 調(diào)研區(qū)域三維地形圖

圖2 道路裂縫

2 離散-連續(xù)耦合模型建立

2.1 模型建立

在邊坡誘發(fā)的路面開裂過程中，邊坡可認為發(fā)生了連續(xù)的滑動變形，而路面則發(fā)生非連續(xù)（斷裂）變形。為在數(shù)值模擬中反映2 種不同的變形特征，本節(jié)擬采用離散-連續(xù)耦合數(shù)值模擬方法。即采用離散元模擬路面瀝青混凝土材料，用有限差分方法模擬邊坡巖土體材料。FlAC3D 是zone 的離散差分軟件，PFC 是顆粒流的離散元軟件。本文以FlAC3D 軟件建立邊坡基礎(chǔ)模型，用PFC3D 軟件建立瀝青混凝土模型，使FlAC3D-PFC3D 通過界面荷載傳遞與位移協(xié)調(diào)的耦合原則實現(xiàn)離散-連續(xù)耦合模擬。

由于此次模擬以反映道路裂縫形成過程為主要目標，為了直觀觀察到道路路面發(fā)生的破壞，在模擬過程中將地質(zhì)條件、地形和土體性質(zhì)進行必要的簡化，建立邊坡計算模型。選取邊坡高度40 m，坡角45°，斷面寬度50 m，如圖3（a）所示。采用球顆粒綁定的方式形成輪胎形狀，如圖3（b）所示，并在輪胎上施加荷載和轉(zhuǎn)動、平動速度，模擬車輛運行過程。

圖3 邊坡耦合模擬模型

圖3（a）中，邊坡模型考慮自重。約束條件為：（1）邊坡底部約束其豎向位移。（2）Y 方向的兩個端部斷面約束Y 方向位移。（3）邊坡走向背部斷面約束X 方向位移，凌空斜坡面不加約束，使其能在自重下發(fā)生坡面滑動變形。

2.2 模型與參數(shù)確定

邊坡土體參數(shù)確定。本文采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性本構(gòu)模型描述土體力學特性。依據(jù)相關(guān)的文獻以及工程路段設(shè)計資料，選擇的模型參數(shù)見表1。

表1 邊坡土體模型參數(shù)

瀝青混凝土接觸模型參數(shù)確定。離散元法以顆粒粘結(jié)模擬瀝青混凝土材料，需確定顆粒及粘結(jié)的細觀力學參數(shù)。通過模擬板的彎曲加載來獲得數(shù)值試樣的力學參數(shù)，并與實際的瀝青混凝土材料參數(shù)相對比，以此標定離散元接觸模型參數(shù)。按照這個思路，在確定瀝青混凝土參數(shù)時我們截取一段兩端固定的瀝青板如圖4（a）所示，瀝青板長1 m、寬1.5 m，厚20 cm。在跨中施加線荷載至瀝青板破壞，破壞形成的三條裂縫如圖4（b）所示。最終得到的模型參數(shù)見表2。

圖4 瀝青混凝土模型參數(shù)標定

表2 瀝青混凝土模型參數(shù)

3 基于強度折減法的邊坡滑動與路面開裂模擬

已有研究提出了融合有限元技術(shù)和強度折減方法的有限元強度折減理論，折減后的抗剪強度指標如下：

式中：c、ψ 為土體抗剪強度指標，cr、ψr對應(yīng)最大折減系數(shù)抗剪強度指標，F(xiàn)r為折減系數(shù)，即邊坡整體安全系數(shù)。

從初始時刻的邊坡強度參數(shù)開始，每折減1 次，進行1 次有限元彈塑性分析，若是未達到預(yù)先設(shè)定的失穩(wěn)判斷依據(jù)的標準，則繼續(xù)進行折減，重復有限元彈塑性分析，直到折減到臨界強度參數(shù)時，達到了預(yù)先設(shè)定的失穩(wěn)判斷依據(jù)，此時的折減系數(shù)，就是邊坡安全系數(shù)。

本節(jié)模擬的邊坡滑動變形如圖5 所示。此處，為避免邊界效應(yīng)，只對中間部分進行了強度折減。在此基礎(chǔ)上，再模擬道路上行駛車輛的車輪對道路施加的動態(tài)荷載作用效應(yīng)，進而模擬道路因其上的車輛荷載而產(chǎn)生的道路路面裂縫，得到的裂縫如圖6 所示。

圖5 邊坡變形形態(tài)

圖6 模擬的裂縫形態(tài)

直行車輛對道路產(chǎn)生連續(xù)且縱紋裂縫，由于路基沉降使得道路與土體表面發(fā)生相對位移，導致道路縱向出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。本文通過此方法成功模擬出了道路表面由車輛荷載產(chǎn)生的路面裂縫，反向證明此方法在路面裂縫狀態(tài)因素的研究中具有合理性，為后續(xù)繼續(xù)研究路面裂縫及相關(guān)內(nèi)容提供理論指導和科學依據(jù)。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)場調(diào)研基礎(chǔ)上，以離散-連續(xù)數(shù)值模擬和強度折減法為基礎(chǔ)，對山區(qū)路面因邊坡滑動、路基沉降導致的裂縫進行了研究，結(jié)果論證了這種模擬方法的可行性。后續(xù)研究中，可繼續(xù)利用這種方法開展更為細致的模擬，并在以下方面繼續(xù)深入：（1）邊坡幾何模型與力學參數(shù)的合理確定。（2）邊坡滑動過程的準確模擬。（3）車輛與路面相互作用的動態(tài)過程域裂縫形成過程。