开级配大粒径沥青碎石防裂层 沥青路面应力与抗裂机理数值分析

郭红兵，赵亚

(1.陕西交通职业技术学院 公路工程系，陕西 西安 710018；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.长安大学 材料学院，陕西 西安 710064)



开级配大粒径沥青碎石防裂层 沥青路面应力与抗裂机理数值分析

(1.陕西交通职业技术学院 公路工程系，陕西 西安 710018；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.长安大学 材料学院，陕西 西安 710064)

反射裂缝是半刚性基层沥青路面和刚性基层沥青路面的主要病害之一，针对这一问题，提出了采用开级配大粒径沥青碎石混合料作为裂缝缓解层的方法，利用其大粒径矿料多、沥青含量少及空隙率大的结构特点消散及吸收裂缝处路面应力。以国内外OLSM参考级配为基础，结合试验段修筑情况，采用有限元方法，建立设置OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面三维有限元模型，对设置不同类型裂缝缓解层、1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面结构进行热-荷载耦合应力对比分析，从宏观力学响应方面阐释了OLSM-25裂缝缓解层的抗裂机理。结果表明：与相同厚度的普通AC-25裂缝缓解层相比，OLSM-25裂缝缓解层的温度敏感性相对较小，具有较高的承载能力和良好的应力消减及缓解性能；在相同的外部荷载作用下，随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，以及抗压回弹模量和线膨胀系数的降低，其自身的车辆荷载应力、温度应力、耦合应力呈总体降低趋势。在实际工程应用中，仅从缓解应力效果及抗裂性能方面考虑，选择级配偏粗、空隙率较大的3#级配OLSM-25作为裂缝缓解层效果较好，但应严格控制施工中的离析问题。

道路工程；开级配大粒径沥青碎石；三维有限元；应力分析；抗裂机理；裂缝缓解层

0 引 言

反射裂缝是半刚性基层沥青路面和刚性基层沥青路面的主要病害之一，为了解决刚性基层沥青路面的沥青面层反射裂缝问题，近年来我国部分学者提出开级配大粒径沥青碎石混合料(Open-graded Large Stone Asphalt Mixes,OLSM)[1-4]，并将其作为裂缝缓解层设置在沥青面层的下面层，铺筑在带有裂缝(或接缝)的贫混凝土刚性基层之上。

国内外道路工程界针对沥青路面反射裂缝的研究主要集中在2个方面：一是系统地揭示沥青路面反射裂缝产生的力学机理，二是寻求阻止沥青路面反射裂缝产生、扩展的方法。OLSM作为裂缝缓解层，其大空隙结构可有效阻止或延缓反射裂缝的产生及扩展，并有效排出路面结构内的积滞水，提高沥青路面的耐久性。目前，国内外针对OLSM的研究工作主要概括为以下4大方面：沥青面层反射裂缝的产生及扩展机理、OLSM级配设计与性能评价方法、OLSM沥青路面力学特性分析、OLSM沥青路面结构设计方法。针对OLSM裂缝缓解层材料的研究基本停留在室内试验和野外试验路检测阶段，很少从力学角度对其抗裂机理进行系统研究。

在交通荷载和环境因素共同作用下，设置OLSM裂缝缓解层的沥青路面结构内会产生荷载应力、温度应力及耦合应力。对于设置在带裂缝基层之上的OLSM裂缝缓解层而言，当交通荷载和环境因素共同作用产生的荷载应力、温度应力及耦合应力超过OLSM混合料的容许抗拉强度时，OLSM裂缝缓解层将产生开裂破坏。随着交通荷载和环境因素的反复作用，裂缝自下而上逐渐扩展至沥青面层路表，最终导致整个沥青路面结构破坏。为探索OLSM缓解层沥青路面结构的抗裂机理与理论依据，本文在已有研究成果[5-8]的基础上，以国内外OLSM参考级配为基础，结合子(洲)至靖(边)高速公路OLSM-25缓解层沥青路面试验段修筑情况，采用有限元方法，建立设置OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面三维有限元模型，对设置不同类型裂缝缓解层、1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面结构进行热-荷载耦合应力对比分析，从宏观力学响应方面阐释了OLSM-25裂缝缓解层的抗裂机理。为OLSM缓解层沥青路面结构设计提供理论依据，并在此基础上总结其抗裂机理，对于OLSM缓解层沥青路面在我国的进一步推广应用具有一定的现实实践与理论指导意义。

1 试验段OLSM-25缓解层沥青路面结构

子(洲)至靖(边)高速公路是国家高速公路网主骨架中青(岛)至银(川)国道主干线(GZ35)陕西境的重要路段，为了研究OLSM的抗反射裂缝能力和耐久性能，本文依托子靖高速实体工程开展OLSM缓解层沥青路面试验路研究。子(洲)至靖(边)高速公路K124+266.8～+894.8试验段OLSM-25缓解层沥青路面结构如图1所示。

4cmSBSAC-13C沥青混凝土5cmSBSAC-20C沥青混凝土9cmOLSM-25裂缝缓解层18cm贫混凝土基层16cm水泥稳定碎石20cm综合稳定土土 基

图1 试验段OLSM-25缓解层沥青路面结构

Fig.1 Asphalt pavement structure with OLSM-25 cracking relief layer in test roads

2 有限元计算模型与参数

2.1 计算模型

OLSM-25缓解层沥青路面结构可视为由沥青面层、OLSM-25裂缝缓解层、贫混凝土基层及基础组成的弹性层状体系，其中基础指由路基、底基层等组成的路面综合支承体系。在进行有限元分析之前，需做以下几点假定[9-11]

1) 路面结构为均匀连续的弹性体系；

2) 路面结构层间接触条件为完全连续；

3) 路面结构底部X方向、Y方向位移均为零，基础侧面水平位移为零；

4) 在进行应力分析时，不考虑路面结构重力场；

5) 基层中部存在宽度1 cm的原始裂缝缺陷，在裂缝处不能传递竖向荷载。根据已有研究中对于沥青路面结构计算模型的收敛性分析结论[12-13]，基础扩大尺寸拟定为16.00 m×10.50 m×9.00 m.

在进行BZZ-100偏载与△T=-10 ℃降温条件共同作用下的耦合应力分析时荷载条件如下：

1) 轮载采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7 MPa，双轮间距32 cm，两侧轮隙间距182 cm.经过对中荷载(即车轮荷载作用在基层裂缝正上方中部)、偏荷载(即车轮荷载作用在基层裂缝单侧)2种荷载作用位置对比分析[13]可知，偏荷载作用为最不利荷载位置；

2) 取0 ℃作为参考温度，只考虑降温情况，取△T=-10 ℃.OLSM-25缓解层沥青路面结构的计算模型及有限元模型如图2所示。为了模拟OLSM-25缓解层的大空隙结构，采用有限元法建模时在该结构层中布孔(孔为圆形，呈梅花式布置)，OLSM-25缓解层的空隙率为15%.

图2 OLSM-25缓解层沥青路面计算模型及有限元模型(cm)

图3为△T=-10 ℃降温条件下，基层裂缝处OLSM-25缓解层沥青路面结构的变形情况。由图3可知在△T=-10 ℃降温条件下，由于沥青面层顶面温度降低使得路面结构产生收缩变形，而路面结构的温度梯度又使贫混凝土基层产生“凹形”翘曲变形，这2种变形叠加使得贫混凝土基层裂缝产生张开变形而使OLSM-25裂缝缓解层底面受拉。

图3 基层裂缝处OLSM-25缓解层沥青路面的变形情况

2.2 计算参数

对于OLSM-25裂缝缓解层，本文以国内外OLSM-25参考级配为基础[8]，依据贝雷法采用0.22 NMPS(取4.75 mm)作为粗、细集料的分界点，应用变I法原理设计OLSM-25级配，结合空隙率(15%～20%)要求，提出OLSM-25推荐级配范围，以OLSM-25推荐级配的上限、中值、下限为1#～3#级配，见表1.在试验段OLSM-25缓解层沥青路面结构中，采用1#级配OLSM-25作为裂缝缓解层，主要计算参数见表2.

表1 1#～3# OLSM-25级配组成Tab.1 Gradation composition of 1#～3# OLSM-25

表2 主要计算参数Tab.2 Main calculation parameters

3 设置OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面应力与抗裂机理分析

3.1 不同类型裂缝缓解层应力对比分析

为比较不同类型裂缝缓解层在BZZ-100偏载作用下、△T=-10 ℃降温条件下、以及交通荷载与降温条件共同作用下的荷载应力、温度应力、耦合应力，此处采用相同厚度的普通AC-25裂缝缓解层代替OLSM-25裂缝缓解层，分别对设置2种不同类型裂缝缓解层的沥青路面结构进行应力对比分析。计算模型采用试验段OLSM-25缓解层沥青路面基本结构(图2)，主要计算参数见表2.根据材料的3个强度理论：最大拉应力理论、最大剪应力理论及形状改变比能理论，在以下的应力对比分析[14-15]中，主要考察普通AC-25裂缝缓解层与OLSM-25裂缝缓解层的最大主应力σ1,最大剪应力τmax及等效应力σe3个值。

3.1.1 荷载应力对比分析

图4为BZZ-100偏载作用下，普通AC-25裂缝缓解层与OLSM-25裂缝缓解层的荷载应力计算结果。当采用厚度9 cm的普通AC-25裂缝缓解层时，其自身σ1,τmax及σe依次为0.370，0.163，0.893 MPa；当采用厚度9 cm的OLSM-25裂缝缓解层时，其自身σ1，τmax及σe依次为0.304，0.142，0.819 MPa；后者的σ1，τmax及σe比前者分别减小了17.8%，12.9%，8.3%，采用OLSM-25作为裂缝缓解层，可有效降低荷载应力，缓解车辆荷载在基层裂缝尖端位置的应力集中现象。

荷载应力对比分析结果表明：由于OLSM-25大空隙结构中大粒径矿料多，而模量与空隙率成反比，因此其模量较小；大粒径矿料之间通过良好的石-石接触形成骨架结构，能够提供较大的内摩阻力，承受较大的车辆荷载作用；与相同厚度的普通AC-25裂缝缓解层相比，由于OLSM-25混合料中粗集料粒径大，粗集料颗粒之间应力传递路径及方向明确，粗、细集料颗粒之间容易产生错动的薄弱接触面数量相对减少，从而具有较高的承载能力和良好的荷载应力消减及缓解性能。

图4 不同类型裂缝缓解层荷载应力对比分析

3.1.2 温度应力对比分析

在△T=-10 ℃降温条件下，普通AC-25裂缝缓解层与OLSM-25裂缝缓解层的温度应力计算结果见图5。当采用厚度9 cm的普通AC-25裂缝缓解层时，其自身σ1,τmax及σe依次为0.357，0.153，0.834 MPa；当采用厚度9 cm的OLSM-25裂缝缓解层时，其自身σ1，τmax及σe依次为0.286，0.130，0.784 MPa；后者的σ1，τmax及σe比前者分别减小了19.9%，15%，6%，说明采用OLSM-25作为裂缝缓解层，可有效降低基层裂缝尖端位置的温度应力。

温度应力对比分析结果表明：由于骨架空隙型OLSM-25的模量及线膨胀系数小，其强度主要由内摩阻力提供，OLSM-25混合料中粗集料的内摩阻角φ明显大于普通AC-25混合料，在降温条件下，由于粗集料的内摩阻角φ值及内摩阻力变化较小，强度衰减慢，OLSM-25裂缝缓解层的温度敏感性明显小于普通AC-25裂缝缓解层，因而具有良好的温度应力消减及缓解性能。

图5 不同类型裂缝缓解层温度应力对比分析

3.1.3 耦合应力对比分析

图6为BZZ-100偏载与△T=-10 ℃降温条件共同作用下，普通AC-25裂缝缓解层与OLSM-25裂缝缓解层的耦合应力计算结果。当采用厚度9 cm的普通AC-25裂缝缓解层时，其自身σ1，τmax及σe依次为0.281，0.142，0.788 MPa；当采用厚度9 cm的OLSM-25裂缝缓解层时，其自身σ1,τmax及σe依次为0.243,0.124,0.711 MPa；后者的σ1，τmax及σe比前者分别减小了13.5%，12.7%，9.8%，说明采用OLSM-25作为裂缝缓解层，可有效降低基层裂缝尖端位置的耦合应力。

耦合应力对比分析结果表明：与普通AC-25裂缝缓解层相比，骨架空隙型OLSM-25的空隙率较大(15%～20%)，在车辆荷载与降温条件共同作用下，这种大空隙结构具有较大的塑性变形能力，能够有效阻隔基层反射裂缝的扩展路径，减缓反射裂缝的扩展速度，消减和吸收由车辆荷载与降温条件共同作用所产生的耦合应力。

图6 不同类型裂缝缓解层耦合应力对比分析

3.2 不同级配OLSM-25裂缝缓解层应力对比分析

为比较不同级配OLSM-25裂缝缓解层在BZZ-100偏载作用下、△T=-10 ℃降温条件下、以及交通荷载与降温条件共同作用下的荷载应力、温度应力、耦合应力，此处以OLSM-25推荐级配为基础，分别对设置1#级配(上限)、2#级配(中值)、3#级配(下限)OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面结构进行应力对比分析[15-18]。计算模型见图2，主要计算参数见表2，其中1#～3#级配OLSM-25的空隙率及抗压回弹模量试验结果见表3.

表3 1#～3#级配OLSM-25空隙率及抗压回弹模量试验结果Tab.3 Test results of porosity and compressive resilient modulus of 1#～3# gradation OLSM-25

3.2.1 荷载应力对比分析

在荷载应力分析中，1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的计算参数差异主要体现在空隙率及抗压回弹模量2个指标取值上。在BZZ-100偏载作用下，1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的荷载应力计算结果如图7所示。随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，其抗压回弹模量呈总体降低趋势，其自身σ1依次为0.307,0.297，0.285 MPa(降幅7%)，τmax依次为0.143，0.140，0.136 MPa(降幅5%)，σe依次为0.822，0.811，0.797 MPa(降幅3%)。由此可见，随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，以及抗压回弹模量的降低，其自身荷载应力呈总体降低趋势，但降幅不大。

图7 1#～3#级配OLSM-25缓解层荷载应力对比分析

3.2.2 温度应力对比分析

在温度应力分析中，1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的计算参数差异主要体现在空隙率、抗压回弹模量及线膨胀系数3个指标取值上。图8为△T=-10 ℃降温条件下，1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的温度应力计算结果。随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，其抗压回弹模量及线膨胀系数呈总体降低趋势，其自身σ1依次为0.293，0.284，0.277 MPa(降幅5%)，τmax依次为0.131，0.128，0.123 MPa(降幅6%)，σe依次为0.786，0.778，0.770 MPa(降幅2%)。由此可见，随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，以及抗压回弹模量和线膨胀系数的降低，其自身温度应力呈总体降低趋势，但降幅不大。

图8 1#～3#级配OLSM-25缓解层温度应力对比分析

3.2.3 耦合应力对比分析

在耦合应力分析中，1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的计算参数差异主要体现在空隙率、抗压回弹模量及线膨胀系数3个指标取值上。在BZZ-100偏载与△T=-10 ℃降温条件共同作用下，1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的耦合应力计算结果如图9所示。随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，其抗压回弹模量及线膨胀系数呈总体降低趋势，其自身σ1依次为0.245，0.239，0.232 MPa(降幅5%)，τmax依次为0.125，0.122，0.119 MPa(降幅5%)，σe依次为0.714，0.703，0.689 MPa(降幅4%)。由此可见，随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，以及抗压回弹模量和线膨胀系数的降低，其自身耦合应力呈总体降低趋势，但降幅不大。

以上荷载应力、温度应力、耦合应力分析结果表明：随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，以及抗压回弹模量和线膨胀系数的降低，其自身的车辆荷载应力、温度应力、耦合应力呈总体降低趋势，但降幅不大。在相同的外部荷载作用下，1#级配OLSM-25集料组成相对偏细，空隙率相对较小，其抗压回弹模量及自身应力相对较大；2#级配OLSM-25粗、细集料组成适中，其空隙率、抗压回弹模量及自身应力相对适中；3#级配OLSM-25集料组成相对偏粗，空隙率相对较大，其抗压回弹模量及自身应力相对较小。在实际工程应用中，当采用OLSM-25作为裂缝缓解层时，从缓解应力效果及抗裂性能方面考虑，应选择级配偏粗、空隙率较大的3#级配OLSM-25混合料；但并非级配偏粗、空隙率较大时OLSM-25的路用性能最优，当粗集料含量过多、空隙率过大时，在OLSM-25混合料的拌和、运输、摊铺、压实等施工环节中容易出现离析问题，施工质量难以得到有效控制。

图9 1#～3#级配OLSM-25缓解层耦合应力对比分析

4 试验段OLSM-25缓解层沥青路面路用性能检测

子(洲)至靖(边)高速公路OLSM-25缓解层沥青路面试验段的路用性能检测结果见表4，其中OLSM-25各项路用性能指标的技术要求根据其自身路用性能试验研究成果[13]提出。由表4可知，OLSM-25裂缝缓解层的高温稳定性、水稳定性、劈裂强度(15 ℃)、无侧限抗压强度(15，20 ℃)、抗压回弹模量(15，20 ℃)指标均满足技术要求。试验段OLSM-25缓解层沥青路面历经6年交通荷载和自然环境因素的综合作用，截止目前使用状况良好，尚未发现反射裂缝的生长迹象；而子(洲)至靖(边)高速公路上未设置OLSM-25裂缝缓解层的半刚性基层沥青路面局部路段已产生了不同程度的轻微反射裂缝。由此可见，作为裂缝缓解层，OLSM-25可有效防止(或减缓)贫混凝土基层沥青路面的反射裂缝，是一种可以缓解反射裂缝的有效材料。

表4 试验段OLSM-25缓解层沥青路面路用性能检测结果Tab.4 Test results of road performance of asphalt pavement with OLSM-25 cracking relief layer in test roads

5 结 论

1) 设置不同类型裂缝缓解层的沥青路面荷载应力、温度应力、耦合应力对比分析结果表明，与相同厚度的普通AC-25裂缝缓解层相比，OLSM-25裂缝缓解层温度敏感性相对较小，具有较高的承载能力和良好的荷载应力、温度应力消减及缓解性能；具有较大的塑性变形能力，能够有效阻隔基层裂缝自下而上的扩展路径，减缓反射裂缝的扩展速度，消减和吸收由车辆荷载与降温条件共同作用所产生的耦合应力；

2) 设置1#～3#级配OLSM-25裂缝缓解层的沥青路面应力对比分析结果表明，在相同的外部荷载作用下，随着1#～3#级配OLSM-25空隙率的增大，以及抗压回弹模量和线膨胀系数的降低，其自身的车辆荷载应力、温度应力、耦合应力呈总体降低趋势。在实际工程应用中，仅从缓解应力效果及抗裂性能方面考虑，选择级配偏粗、空隙率较大的3#级配OLSM-25作为裂缝缓解层效果较好，但应严格控制施工中的离析问题；

3) 在试验段OLSM-25缓解层沥青路面修筑时，主要考虑OLSM-25施工中的离析问题，仅采用1#级配OLSM-25作为裂缝缓解层；在后续研究中，将采用2#，3#级配OLSM-25作为裂缝缓解层，结合试验段OLSM-25缓解层沥青路面长期性能监测数据进行抗裂性能对比分析，为OLSM-25缓解层沥青路面的进一步推广应用奠定基础。

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Numerical analysis on stress and anti-cracking mechanism of open-graded large stone asphalt mixes cracking relief layer in asphalt pavement

(1.DepartmentofHighwayEngineering,ShaanxiCollegeofCommunicationandTechnology,Xi’an710018,China;2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

The reflective cracking is one of the main damages of semi-rigid base asphalt pavement and rigid base asphalt pavement.Aiming at this problem,a method of using Open-graded Large Stone asphalt Mixes(OLSM) as the cracking relief layer is proposed,large mineral aggregate,low asphalt content and great porosity can dissipate or absorb stresses and strain around the crack.The three-dimensional finite element model of asphalt pavement structure with OLSM-25 cracking relief layer is established by the finite element method according to the reference gradation of OLSM both at home and abroad and the condition of construction in the test roads.After comparative analyzing on the temperature-load coupling stress in asphalt pavement structure with different types of cracking relief layer and 1#～3#gradation OLSM-25 cracking relief layer, illustrate the anti-cracking mechanism of OLSM-25 cracking relief layer from the aspects of macro mechanical response.The results show that compared to the ordinary AC-25 cracking relief layer with the same thickness,the temperature sensitivity of OLSM-25 cracking relief layer is relatively low and it has higher carrying capacity and better stress relief performance than that of ordinary AC-25 cracking relief layer.Under the action of the same external load,the vehicle load stress,temperature stress and coupled stress of OLSM-25 cracking relief layer show overall decreasing trend with its increasing porosity,decreasing compression modulus and coefficient of linear expansion.In practical engineering applications,it is better to choose 3#gradation OLSM-25 with more coarse gradation and greater porosity as the cracking relief layer,but we should pay more attention to the problem of segregation and control it strictly in construction.

road engineering；open-graded large stone asphalt mixes；three-dimensional finite element；stress analysis；anti-cracking mechanism；cracking relief layer

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0121

1672-9315(2015)01-0120-08

2014-08-10责任编辑:李克永

陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1067);中央高校基本科研业务费专项资金项目(CHD 2010JC011)

郭红兵(1976-), 男, 陕西扶风人,博士,副教授,E-mail:329639783@qq.com

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