沥青混凝土公路界面裂隙研究

刘　涛

(贵州省天柱公路管理段，贵州　天柱　556600)



沥青混凝土公路界面裂隙研究

刘涛

(贵州省天柱公路管理段，贵州天柱556600)

刘涛(1977—)，工程师，研究方向：公路路基、路面。

摘要：为了减少沥青公路界面裂隙发育对路面的整体破坏，文章利用断裂力学理论结合二维ANSYS有限元模型，对沥青混凝土公路界面裂隙进行研究，结果表明：车轮荷载下裂隙表现出张拉型与剪切型同时作用的复合型扩展模式；沥青路面裂纹初始长度越大，其应力强度因子初始值越大，而其扩展相同距离的疲劳扩展寿命变得越来越小。

关键词：沥青混凝土；界面裂隙；ANSYS有限元；应力强度因子；疲劳扩展寿命

0引言

由于沥青混凝土下层与其他结构层间接触状态复杂多变，比较常见的是基层与面层间会出现完全缺失连续或局部的半连续状态。路面整体结构的力学分布主要受到基层和各层之间的裂隙影响，半刚性基层沥青路面，基层与面层的交界处是最不利的位置，界面裂隙与沥青路面常见病害息息相关。初期裂隙呈现的是微观状，在综合因素作用下微观状裂隙会相互贯通，最终发展成为直观的小裂缝。小裂缝在车辆荷载以及温度变化的重复作用下产生剪应力、拉应力。继而在剪应力、拉应力影响下，沥青路面逐渐出现裂纹扩展，最终导致了沥青路面的整体破坏。沥青混凝土路面出现裂缝，应及时进行密封修补，否则雨水及其他杂物就会沿裂缝进入面层结构及路基，导致路面承载能力下降，加速路面局部或成片损坏[1]。因而研究沥青公路界面裂隙是一个迫在眉睫的问题。

1断裂力学理论

断裂力学属于传统的固体力学发展出来的分支，断裂力学研究方向是材料和工程结构中裂纹的扩展规律。其中裂纹这一定义在断裂力学中被定义为宏观的、肉眼可见的裂纹。工程材料中的各种缺陷可近似地看作裂纹。断裂力学是研究含裂纹构件强度与寿命的一门固体力学的新分支，是结构损伤容限设计的理论基础。断裂力学的基本研究内容包括：(1)裂纹的起裂条件；(2)裂纹在外部载荷和(或)其他因素作用下的扩展过程；(3)裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。在疲劳裂纹的扩展分析中引入断裂力学原理可以估算裂纹结构的疲劳寿命，是断裂力学研究的一个及其重要的内容。

2沥青路面断裂分析数值模拟模型

假设沥青路面的各个结构层依照材料属性划分为四个层次，且四个层次均为均质的、各向同性线弹性材料。稀浆封层与沥青面层存在界面裂隙，四个结构层层次不存在接触状况，而且也没有发生滑移。沥青基层底部受到限制，沥青面层顶部为自由面，模型忽略自重影响，见表1。

表1　沥青路面结构参数表

依照表1沥青路面结构参数，建立离散单元为二维实体单元的ANSYS有限元模型。模型底部为刚性约束，模型两侧限制X方向的位移，面层表面为自由面。其中沥青路面结构在竖直的荷载施加为0.7 MPa，X方向剪力选择为0.175 MPa，沥青路面结构在水平和深度方都选择3.5 m，从左到右施加X方向荷载[2]。

图1　沥青结构面模型图

鉴于裂隙发育的尖端具有较大的应力与应变，利用细化的网格划分裂隙的尖端。在ANSYS有限元模型中，选择单元PLANE183，裂隙尖端周围的单元大小通过KSCON命令来实现。施加KSCON命令之后在选定的裂隙尖端会产生奇异单元。位于裂隙尖端的单元采取等腰三角形，沿裂隙的轴向其他单元，大致与裂隙长度方向平均成35°角，裂隙长度大致为裂隙尖端周围第一圈单元的半径长度的8倍，见图2。

图2　断裂模型图

3裂隙尖端应力强度因子

裂纹顶端的应力场强度可以用应力强度因子K表示。裂纹出现失稳扩展状态出现在材料的断裂韧度KC小于应力强度因子K时。有限元模型建立并划分之后，将模型材料定义为均匀的各向同性材料，利用ANSYS有限元模型中的KCALC命令计算模型中裂隙尖端的应力强度因子(K1，K2，K3)。裂缝在扩展发育过程中的应力强度变化规律，可以根据7种不同长度的裂隙在其切向和竖向荷载作用下，裂隙左右两个尖端的应力强度因子K的变化关系得知，例如裂隙长度为7.5 cm的应力云图(见图3)。

(a)x向应力云图

(b)y向应力云图

(c)剪应力云图

(d)剪应力云图

(e)Y向位移云图

(a)左尖端应力强度因子K1

(b)左尖端应力强度因子K2

(c)尖端应力强度因子K1

(d)右尖端应力强度因子KI2

由图4可以看出，应力强度因子K1的和K2变化关系呈线性，而K3为0。应力强度因子K1随着裂纹长度的增加呈现出增大的趋势，等长度裂纹长度下右尖端K1大于左尖端的K1。相反的是，应力强度因子K2随着裂纹长度的增加呈现出减小的趋势。由以上分析可知在车轮荷载的作用下稀浆封层上部的水平裂隙表现出张拉型与剪切型同时作用的复合型扩展模式。

4界面裂隙疲劳扩展分析

疲劳寿命是沥青路面结构分析中极其重要的部分。结构的破坏过程可以按照断裂力学理论分为裂纹的形成、扩展与最后断裂三个阶段。裂纹的形成和扩展两部分为破坏的主要过程，裂纹失稳之后可以迅速达到断裂状态，裂缝的扩展寿命是最主要的过程。采用Paris公式可以得到裂纹较为准确的扩展寿命Nf[3]。

(1)

(2)

Nf=KMAX-KMIN

其中n、C均为模型中选用的材料参数，(da/dN)裂纹的扩展速率。

Paris公式突破性思维在于将寻找裂纹的疲劳扩展速率转化为寻找尖端应力强度因子的变幅。但是其局限性在于模型中选用的材料参数只是适用在一定范围内的ΔK。经过后人的修正得到了广义Paris公式，其中将n、C分别取为3和3.5×10-6，引入等效应力强度因子Kε[4]，

(3)

Kε=K1+K2

(4)

(a)左端Kε变化规律

(b)右端Kε变化规律

根据Kε变化规律(见表2)，拟合不同裂隙长度下Kε[5]，将拟合方程代入式(3)积分，得到了裂纹扩展寿命(见表3)。

表3　裂纹扩展寿命表

由表3可知，沥青路面裂纹初始长度越大，其应力强度因子初始值就越大。可知沥青路面裂纹初始长度越大，其扩展相同距离的疲劳扩展寿命越来越小。由此可见沥青路面裂纹初始长度在很大程度上影响裂隙的扩展寿命。

5结语

(1)车轮荷载的作用下稀浆封层上部的水平裂隙表现出张拉型与剪切型同时作用的复合型扩展模式。

(2)沥青路面裂隙初始长度对裂隙的扩展寿命影响巨大。沥青路面裂纹初始长度越大，其应力强度因子初始值就越大。可知沥青路面裂纹初始长度越大，其扩展相同距离的疲劳扩展寿命越来越小。

参考文献

[1]易昕.三维有限元方法分析沥青路面自上而下裂缝的扩展[D].长沙：湖南大学，2006.

[2]张柯：含界面裂隙的沥青混凝土路面疲劳寿命研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[3]郦正能.应用断裂力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[4]郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5]刘振清，钱国超，刘清泉，等.设ATPB的半刚性基层沥青路面结构疲劳特性分析[J].中国公路学报，2008，21(5)：15-18.

Research on Interface Cracks of Asphalt Concrete Highway

LIU Tao

(Guizhou Tianzhu Highway Management Section，Tianzhu，Guizhou，556600)

Abstract：In order to reduce the overall damage to the road surface caused by asphalt highway interface cracks，this article studied the interface cracks of asphalt concrete highway by using the fracture me-chanics theory combined with ANSYS two-dimensional finite element model，and the results showed that：the cracks under wheel loads show the composite expansion mode with the action of both tensile type and shearing type；the asphalt pavement cracks are longer at the beginning，its stress intensity factor has greater initial value，and its fatigue expansion life with the expansion of same distance be-comes smaller.

Keywords：Asphalt concrete；Interface cracks；ANSYS finite element；Stress intensity factor；Fatigue expansion life

收稿日期：2015-07-05

文章编号：1673-4874(2015)08-0040-04

中图分类号：U418.6

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.010

作者简介