级配碎石基层对沥青路面反射裂缝抑制机理分析

2 0 1 1年 3月第 27卷第 2期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal o f Shenyang Jianzhu Un iv ersity ( N atura l Sc ience) M ar. 2011Vo l. 27, N o. 2 收稿日期: 2010- 09- 20 基金项目: 辽宁省交通厅项目 ( 200914) 作者简介: 张海 ( 1972) ), 男,副教授, 博士,主要从事桥梁耐久性研究. 文章编号: 1671- 2021( 2011) 02- 0247- 06 级配碎石基层对沥青路面反射裂缝抑制机理分析 张 海1, 2,马光超 1,张敏江 1,马 静 1 ( 11 沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168; 21大连理工大学建设工程学部, 辽宁 大连 116024) 摘 要:目的 研究级配碎石过渡层沥青路面结构面层的有效应力强度因子的变化, 为沥青路 面结构合理设置级配碎石过渡层提供理论依据. 方法 基于 ABAQU S有限元计算方法,运用断 裂力学理论对级配碎石沥青路面结构和常规半刚性沥青路面结构的应力强度因子进行对比分 析,研究级配碎石厚度和模量、面层模量、基层模量的变化对沥青面层应力强度因子的影响.结 果 沥青面层结构下设置级配碎石过渡层,可以大大减小面层底部裂缝的应力强度因子,推荐 级配碎石层厚度为 10~ 15 cm.结论 级配碎石可以有效地减缓基层反射裂缝向上的扩展,适当 增加级配碎石基层厚度和模量、半刚性基层模量,可进一步提高级配碎石抑制反射裂缝扩展的 效果. 关键词:级配碎石;反射裂缝;断裂力学;有限元法 中图分类号: U 4161214 文献标志码: A Mechanism Analysis of Graded Aggregate Preventing Reflection Cracks of Asphalt Pavement ZHANG Ha i 1, 2 , MA Guangchao 1 , ZHANG M in jiang 1 ,MA Jing 1 ( 11 Schoo l o f C iv il Eng ineering Shenyang Jianzhu Un iv ersity, Shenyang, C hina, 110168; 21 Faculty o f Infrastructure Eng inee r- ing, Da lian U niversity of T echno logy, D a lian, Ch ina, 116024) Abstract: This paper is a imed to research on the change o f stress intensity facto r o f asphalt surface o f aspha lt pavem en t structure w ith a transition layer o f unbound graded aggregate based on fracture mechan ics, w hich can prov ide the theory ba sis fo r setting g raded agg regate transition lay er of a spha lt pavem ent structure rea- sonab ly. B ased on ABAQU S fin ite e lem ent m ethod and fracture m echan ics, the crack ing s on the aspha lt pavem en tw ith unbound aggregate upper and sem -i rig id base aspha lt pavem ent are compared and analyzed, furthermo re, ana ly zing the inf luence on change o f m odu lus and th ickness o f the lay er o f g raded agg rega te, m odulus of surface and sem -i r ig id base on stress intensity facto r o f aspha lt surface. The results of the paper are that the layer o f unbound g raded aggregate under the aspha lt pavem ent can reduce the stress intensity fac- to r of the subbase and prevent re flection cracking effective ly. The paper recomm ends the thickness o f the graded broken stone from 10cm to 15cm. It ind icate s that the layer o f unbound graded aggregate can slow down the expansion o f ref lect ion crack ing ef fectua lly, simu ltaneously the suitab le increasing o f the modulus and th ickne ss o f the lay er o f graded aggregate, basicmodulus can improve on the effect o f preven ting the re- f lection crack ing w ith the lay er o f graded agg rega te. Key words: g raded aggregate; ref lect ion cracks; fracture m echan ics; f in ite elem ent 248 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 27卷 伴随着半刚性基层沥青路面的大量修筑, 由 半刚性基层的温缩、干缩开裂引起沥青路面严重 的反射裂缝、基层排水性能差、损坏后修补困难等 缺点日益突出,严重影响了路面使用性能.为了克 服半刚性基层这些缺点, 一些地区将级配碎石放 在沥青层与半刚性层之间,作为应力消散层,以减轻 半刚性材料的反射开裂.级配碎石层可以有效减少 反射裂缝的发生这一点已经得到许多工程的验证, 但对级配碎石层防止反射裂缝发生的机理,尤其是 从力学分析的角度深入认识,目前研究的还不够. 笔者利用断裂力学理论,应用 ABAQU S有限 元软件建立有限元模型, 对级配碎石过渡层路面 结构进行断裂力学分析, 从而深入研究级配碎石 防止反射裂缝的力学机理, 为级配碎石过渡层沥 青路面结构提供理论依据. 1 断裂力学基本理论 111 裂缝的基本类型 应力强度因子是描述裂纹尖端场的一个参 数,它与载荷的大小及几何尺寸有关.一般可将裂 缝分成三种类型: ¹张开型; º 剪切型 (平面内 ); » 撕开型 (平面外剪切型 ) ,见图 1. 图 1 裂缝类型 F ig1 1 The type o f crack 一般认为, 半刚性基层沥青路面结构内的裂 缝扩展主要是张开型, 当汽车荷载作用在裂缝的 正上方时,裂缝处的沥青层内产生压应力,裂缝将 以张开模式引发沥青层的反射裂缝.当汽车荷载 作用在裂缝之前或之后时, 裂缝两侧沥青层的受 力不均匀,半刚性基层中的裂缝将以剪切模式引 发沥青层的反射裂缝,即产生剪切型裂缝.撕开模 式由于与路面受力不符,因此不存在 [ 3- 5] . 笔者研 究的是级配碎石作为防止反射裂缝层加铺在半刚 性基层和沥青面层中间时的应力应变变化, 所以 在建模设置中只单考虑张开型断裂模型. 根据断裂理论,裂缝尖端处产生应力集中,出 现应力奇异点, 且该应力奇异点的应力值远大于 无裂缝处的结构应力 [ 6- 7] . 在裂纹端点处应力分 量都趋于无穷大,这种特性即为裂纹尖端应力奇 异性, 它是由于裂纹端点为几何上的不连续点所 导致 [ 8- 9] .应力分量由两部分组成, 一部分是关于 场分布的描述,它随点的坐标而变化,通过极坐标 r的奇异性及角分布函数来体现; 另一部分是关 于场强度的描述, 由应力强度因子 K 来表示, 它 和裂纹体的几何条件和外加荷载特性有关, 反映 裂缝尖端附近的应力场强度.在断裂力学中,应力 场应力强度因子 K 作为裂纹尖端附近应力奇异 性程度的表征参量,是衡量裂纹尖端区的应力强 度的重要指标. 应力强度因子可由相应的应力场 和位移场定义: K Ñ = lim rv 0 2PrRy ( r, 0) . ( 1) K Ò = lim rv 0 2PrSxy ( r, 0) . ( 2) 式中: K Ñ为Ñ型应力强度因子; K Ò为 Ò型应力强 度因子; r为极坐标; Ry、Sxy为裂缝尖端附近的应 力分量. 112 建立裂缝尖端奇异单元模式 早期用的有限元方法来分析裂缝问, 采用 常规单元来划分裂缝尖端附近区域,不论尖端附 近的网络划分有多细,计算精度都不会很高. 笔者采用由 Henshell、Shaw和 Barsoum [ 10 - 12] 提出的 1 /4节点单元法 ( 1 /4单元也称为奇异单 元 ) ,实际上是一种畸形等参单元, 在裂缝尖端处 将中间结点向裂缝尖端靠拢, 距裂缝尖端 1 /4边 长处 (通常中间结点在边长 1 /2处 ), 这样的单元 可以较好地反映裂缝尖端附近的应力场. 这样处 第 27卷 张 海等: 级配碎石基层对沥青路面反射裂缝抑制机理分析 249 理后, 可以很好地模拟裂缝尖端的奇异性问题,并 且单元也不用划分的那么细, 这大大减轻了划分 网格的工作强度和节约了计算时间. 2 配碎石沥青路面断裂力学有限元 分析 211 路面结构设计参数 笔者建立 5种不同路面结构形式, 分别为不 同级配碎石厚度下沥青路面结构和常规半刚性基 层沥青路面结构, 各层参数见表 1[ 13] , 路面结构 示意图见图 2、图 3所示. 表 1 五种路面结构形式各结构层材料设计参数 Table 1 D esign param e ter o f struc tura l layerm ater ia l in the f ive fo rm o f pavem en t structure 结构 类型 面层厚度 / cm 面层模量 / M Pa 基层厚度 / cm 基层模量 / M Pa 砂砾厚度 / cm 土基模量 / M Pa 过渡层模量 / M Pa 过渡层厚度 / cm 结构一 7 1 400 30 1 800 25 40 300 0 结构二 7 1 400 20 1 800 25 40 300 10 结构三 7 1 400 20 1 800 25 40 300 12 结构四 7 1 400 20 1 800 25 40 300 15 结构五 7 1 400 20 1 800 25 40 300 20 图 2 半刚性基层沥青路面结构 F ig1 2 A spha lt pavem ent w ith sem -i r ig id base 图 3 级配碎石过渡层沥青路面结构 F ig1 3 A spha lt pavem ent w ith g raded broken stone tran- sition lay er 212 荷载模式的确定 21211 基本假设 考虑到有裂缝基层路面结构的实际受力情 况,将模型作以下简化: ( 1)沥青混合料在低温条件下主要表现为弹 性性能,按线性假设进行分析; ( 2)除裂缝面是由一系列不连续点构成以 外,各层均由均质各向同性的线弹性材料组成,力 学特性用弹性模量 E和泊松比 L表征; ( 3)路面结构为长 6 m、厚度 3 m 的线弹性 体,且各层间始终保持位移和应力都完全连续,只 有上下 2层接触面上的水平应力不连续; ( 4)横向裂缝贯穿路面的整个宽度, 且所有 裂缝面均为自由面 [ 14] . ( 5)边界条件的定义, 设定垂直于 x 轴方向 的面即横断面,固定 x轴方向位移,并约束其他两 个方向的转角; 对于底面, 固定 x、y两个方向位 移,并约束所有转角. 21212 荷载模式 假定路表面作用有垂直荷载,接触面压力均 匀,轴载为 100 kN ( 017M Pa, 2a = 2 @ 15 cm, a 为 荷载作用半径 [ 15] ), 当车轮驶过裂缝上方时,经历 2个典型位置, 分别为行车荷载对称作用于裂缝 上端 (正载 )和行车荷载作用于裂缝上方一侧 (偏 载 ) ,笔者只考虑正载作用,如图 4所示. 213 有限元模型的建立 本次模型中的路面结构在水平方向取 6 m, 深度方向取 3 m.采用 ABAQU S有限元软件建立 模型,图 5为带裂缝的常规半刚性基层沥青路面 结构,图 6为带裂缝的级配碎石过渡层沥青路面 250 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 27卷 结构. 图 4 行车荷载作用于裂缝正上方 Fig14 W heel lo ad ac t above crack 图 5 带裂缝的常规半刚性基层沥青路面结构 F ig1 5 A spha lt pavem ent w ith fractured 图 6 带裂缝的级配碎石过渡层沥青路面结构 F ig1 6 A spha lt pavem en t w ith frac tured sem -i r ig id ba se g raded broken stone transition lay er 214 计算结果与分析 为了研究级配碎石过渡层在不同厚度下沥青 面层层底应力强度因子、应力、应变的变化情况, 笔者分别建立了不同级配碎石厚度下的沥青路面 结构模型,计算结果如图 7~图 9所示. 图 7 碎石层厚度与应力强度因子的关系 F ig1 7 R elationsh ip be tw een the th ickness o f rubble lay er and stre ss in tensity fac to r 图 8 碎石层厚度与沥青层底拉应力的关系 F ig1 8 R elationsh ip be tw een the th ickness o f rubble lay er and ten sile stre ss o f asphalt 从图 7可以看出,设有级配碎石过渡层的路 面结构中,面层底部裂缝尖端的应力强度因子远 小于常规半刚性基层路面结构. 当级配碎石层厚 度为 10 cm 时, 应力强度因子减少 42% , 说明级 配碎石过渡层能吸收半刚性基层裂纹所释放的应 变能, 从而减小沥青面层底面裂缝的应力强度因 子.故级配碎石层具有较好的延缓反射裂缝的作 用,为沥青路面结构合理设置级配碎石过渡层提 供了理论依据. 第 27卷 张 海等: 级配碎石基层对沥青路面反射裂缝抑制机理分析 251 图 9 碎石层厚度与沥青层底拉应变的关系 F ig1 9 R elationsh ip be tw een the th ickness o f rubble lay er and stre tch ing stra in o f a spha lt 综合图 7 ~图 9可以看出, 级配碎石层的设 置厚度对防裂效果具有一定影响, 随着级配碎石 厚度的增加,应力强度因子随之降低.当碎石厚度 达到 20 cm时, 应力强度因子减少 53% , 说明级 配碎石延缓反射裂缝的效果明显. 但随着级配碎 石层厚度的增加,沥青层底拉应力、拉应变及路表 弯沉逐渐增大,沥青路面的结构受力不合理,所以 级配碎石的厚度要取一个合理的厚度,既能延缓 反射裂缝,又能使沥青路面结构受力合理.当铺设 10~ 15 cm级配碎石时, 半刚性基层反射裂缝抑 制效果明显且沥青路面结构受力比较合理, 所以 建议在结构设计中铺设级配碎石过渡层, 厚度以 10~ 15 cm为宜. 3 各结构层模量对裂缝应力强度因 子的影响 为了研究沥青面层模量、级配碎石层模量、半 刚性基层模量对应力强度因子的影响, 运用 ABAQU S建立与 213节相同的有限元模型, 计算 各结构层不同模量下的应力强度因子,模型参数 和上节相同.改变各结构层模量,考虑常规各结构 层的模量值,取面层模量 1 200~ 1 800M Pa,级配 碎石模量 200 ~ 500 M Pa, 半刚性基层模量 1 200~ 2 000MPa.分别建立模型,完成有限元模 型分析计算,计算结果如图 10~图 12所示. 从图 10中可以看出,面层模量对应力强度因 子的影响很大,随着面层模量的增加,面层裂缝尖 端的应力强度因子逐渐增大.面层模量的增加,虽 然可以使面层强度增加,但面层底面的应力强度 图 10 面层模量与应力强度因子的关系 F ig1 10 Rela tionship betw een the stre ss intensity fac to r and m odu lus o f surface 图 11 级配碎石模量与应力强度因子的关系 F ig1 11 Rela tionship betw een the stre ss intensity fac to r and m odu lus o f graded broken stone 图 12 半刚性基层模量与应力强度因子的关系 F ig1 12 Rela tionship betw een the stre ss intensity fac to r and m odu lus o f sem -i rig id base 252 沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 27卷 因子增大,裂缝更容易扩展,同时路面更容易发生 断裂, 导致路面发生破坏.因此,不能片面地追求 高模量, 模量越大, 越不利于沥青层的受力, 裂缝 更容易扩展,所以,沥青面层模量的大小应在一个 适宜的范围值内,过高和过低都不是好的选择. 从图 11、图 12可以看出, 面层裂缝尖端的应 力强度因子随着级配碎石模量、半刚性基层模量 的增加而逐渐减小,所以适当增加级配碎石基层 模量、半刚性基层模量,可进一步提高级配碎石抑 制反射裂缝扩展效果. 4 结 论 ( 1)在沥青面层结构下设置级配碎石过渡层 结构, 可以大大减小面层底部裂缝的应力强度因 子,说明级配碎石过渡层可以有效地防止反射裂 缝的发生. ( 2)随着级配碎石厚度的增加, 面层裂缝尖 端的应力强度因子随之降低,而沥青层底拉应力、 拉应变及路表弯沉随之增大, 沥青路面的结构受 力不合理.笔者推荐级配碎石层厚度 10 cm 到 15 cm左右. ( 3)面层模量对应力强度因子有很大的影 响,随着面层模量的增加, 面层裂缝尖端的应力强 度因子逐渐增大. ( 4)随着级配碎石模量、半刚性基层模量的 增大, 面层裂缝尖端的应力强度因子都逐渐较小, 增加级配碎石模量比增加半刚性基层模量更有效 抑制路面裂缝的扩展. 参考文献: [ 1 ] 范天佑. 断裂理论基础 [ M ]. 北京: 科学出版社, 2003. ( F an T ianyou. The theo ry o f frac ture m echanics [ M ]. Be ijing: Science Press, 2003. ) [ 2 ] 廖公云, 黄晓明. ABAQUS有限元软件在道路工程 中的应用 [M ].南京 :东南大学出版社, 2008. ( L iao G ongyun, H uang X iaom ing. Applica tion o f ABAQUS fin ite elem ents so ftw are in ro ad eng ineer- ing [ M ]. Nanjing: Southeast U niver sity Publish ing H ouse, 2008. ) [ 3 ] A shto A. G uide fo r design o f pavem ent structures [ M ]. W ash ing ton: Am e rican A ssocia tion o f Sta te H ighw ay and T ranspor ta tion O fficia ls, 2002. [ 4 ] W erkm eister S, Daw son A R, W e llne r F. Pavem ent design m ode l fo r unbound g ranu lar m a teria l [ J ]. Journa l o f transpo rta tion Eng inee ring, 2004, 56 ( 3 ): 665- 674. [ 5 ] Lekarp F, Isacsson U, D aw son A R. Research re- sponse o f unbound agg regate s[ J]. Journa l o f T rans- por ta tion Eng ineering, 2000, 123( 1): 66- 75. [ 6 ] 江晓霞. 级配碎石防反射裂缝层的性能分析 [ J]. 公路与汽运, 2007( 3): 81- 83. ( Jiang X iaox ia. P erfo rm ance analy sis of g raded ag- g regate preven ting re flection cracks o f aspha lt pave- m ent[ J]. H ighw ay s and Autom o tiv e Applications, 2007( 3): 81- 83. ) [ 7 ] Perez M G, Rom ana L. Inf luence o f stress leve ls on the deve lopm ent o f perm anent defo rm a tion in un- bound g ranular m a terials[ J]. Pavem en t M echan ics and Perform ance, 2006( 2): 180- 188. [ 8 ] 张安哥, 朱成九, 陈梦成. 疲劳、断裂与损伤 [ M ]. 成都: 西南交通大学出版社, 2006. ( Zhang A nge, Zhu Cheng jiu, C hen M engcheng. Fa- tigue, frac ture and dam age [M ] . Chengdu: Southw est Jiao tong Un iv ersity Press, 2006. ) [ 9 ] Puppa la A J, Suppak it C, V enka t B. U sing repeated- load tr iax ia l te sts to eva luate p la stic stra in po tentials in subg rade so ils [ J]. Journa l o f the T ranspo rtation Resea rch Board, 2005( 5): 26- 31. [ 10] Lav A H. M icro structure deve lopm ent o f stab ilized fly a sh a s pavem ent ba sem ater ia .l jo urnal o f m ater-i als in c iv il eng ineering [ J]. Journa l o f Env ironm enta l Q ua lity, 2000( 2): 157- 163. [ 11] de V illiers J, B arnard E. Back2 propagation neura l nets w ith one and tw o h idden layers[ J] . T ransac- tion s on N eura lN etw o rk s, 1993, 4( 1): 136. [ 12] Hense llR D, Shaw K G. C rack tip finite e lem en ts are un-necessa ry [ J]. In t J Num berM e th Eng, 1975, 9: 495- 507. [ 13] 王龙,孟书涛, 徐全亮. 级配碎石基层的设计参数 研究 [ J].公路交通科技, 2006, 23( 8) : 22- 27. (W ang Long, M eng Shutao, Xu Quan liang. Re search on the de sign param e ter o f the g raded broken stone based[ J]. sc ience and techno lo gy o f traff ic, 2006, 23 ( 8) : 22- 27) [ 14] 廖公云.高速公路沥青路面基层类型选择与性能 优化研究 [ D ].南京: 东南大学交通学院, 2004. ( L iao G ongyun. Perform ance optim iza tion re search and type se lec tion on the base o f h ighw ay asphalt pavem en t[ D ]. N an jing: Schoo l o f T ranspor ta tion; SoutheastU niver sity, 2004. ) [ 15] 蒋育红, 黄晓明, 廖公云. 级配碎石夹层路面结构 的断裂力学分析 [ J].合肥工业大学学报, 2009, 32 ( 4) : 512- 514. ( Jiang Y uhong, H uang X iaom ing, L iao Gongyun. F rac ture m echan ics ana ly sis o f pavem en t structure w ith a sandw ich laye r o f unbound graded aggrega te [ J ]. Journa l o f H efe i Un iv ersity o f T echno logy, 2009, 32( 4): 512- 514. )