层间接触状态变化对应力强度因子的影响分析

胡耀强，黄钦寿

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



层间接触状态变化对应力强度因子的影响分析

胡耀强，黄钦寿

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

如何防治反射裂缝是旧水泥混凝土路面沥青加铺层需主要解决的问题之一。文章以广西南宁市某城市道路改扩建工程为例，采用有限元软件ABAQUS建立平面应变模型，分析层间接触状态变化对沥青加铺层应力强度因子的影响，结果表明：各接触层间粘结性能的增强可有效降低裂缝尖端应力强度因子。

沥青加铺层；层间接触；反射裂缝；应力强度因子

0　引言

水泥混凝土路面在城市道路中应用广泛，随着城市建设与经济高速发展，日益增长的交通需求与城市道路建设矛盾越来越突出，涌现出大量的城市道路改扩建工程。由于沥青加铺层能够有效改善旧水泥混凝土路面使用性能，目前在国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用最广[1]。本文以广西南宁市某城市道路改扩建工程典型沥青加铺层结构作为研究背景，对沥青加铺层和应力吸收层接触、应力吸收层和旧水泥混凝土路面接触和旧水泥混凝土板与基础接触三种状态变化下沥青加铺结构层应力强度因子进行分析，研究不同层间接触状态对应力强度因子的变化规律。

1　计算参数

广西南宁市某城市道路改扩建工程为现状水泥混凝土路面扩建为城市主干路，现状路面保存完好，路面病害较少，路面道路评价等级为良，设计考虑对旧路病害处理后采用沥青加铺层罩面处理，典型路面结构见图1。参考现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)[2]确定本文采用的材料参数(见表1)。

图1　路面加铺结构图

序号结构层名称厚度(cm)弹性模量E(MPa)导热系数λ(W·m-1·K-1)泊松比μ温缩系数(℃-1)1沥青加铺层1812001.20.252.1×10-52应力吸收层28001.20.252.1×10-53旧水泥混凝土板24300001.50.151.0×10-54基础—1001.00.30.5×10-5

注：基础的弹性模量为旧水泥混凝土路面基层、垫层和路基的当量值。

2　计算荷载

车辆荷载采用标准轴载(BZZ-100，0.7 MPa，30 cm)[3]；广西南宁市区在寒冷冬季夜间路表温度为10 ℃左右，典型温度荷载参数为假定路表初始温度10 ℃，发生15 ℃降温，路面温度场的分布服从指数型衰减的数学模型[4，5]，见式(1)。

(1)

式中：z——路面深度；

ΔTm——持续降温幅度；

tm——从降温开始至降温结束所经历的时间；

z0——初始厚度。

3　计算模型及裂缝区域的模拟

采用大型商业软件ABAQUS建立平面应变有限元模型进行模拟计算，模型由基础、旧水泥混凝土路面、应力吸收层和沥青加铺层组成。沥青加铺层结构计算图示如图2所示。假定基础和沥青加铺层两侧约束法向方向、基础底部完全约束；旧水泥混凝土板接缝无传递荷载能力；各结构层为均质、各向同性的线弹性材料。基础采用扩大尺寸进行模拟，经取不同基础尺寸进行误差对比分析，拟定基础扩大尺寸为16.01 m×8.5 m。假定旧水泥混凝土板接缝宽度为1 cm，取两块旧水泥混凝土板进行分析，长度为(5+5)m，相应沥青加铺层长度为10.01 m，应力吸收层长度为10.01 m。采用奇异单元模拟裂缝尖端应力和应变场[6]，裂缝尖端网格划分如图3所示。

图2　沥青加铺层结构计算图

图3　裂缝尖端网格划分图

4　层间接触状态变化对应力强度因子的影响

在沥青加铺层结构中主要存在以下3个接触面，分别为沥青加铺层和应力吸收层接触(第1界面)、应力吸收层和旧水泥混凝土路面接触(第2界面)和旧水泥混凝土板与基础接触(第3界面)，用层间结合系数f表征层间结合状态：f=0表示完全光滑，f=1表示完全连续，f=0-1表示部分接触。以下主要分析前面2个界面接触状态变化对应力强度因子的影响，保持第3界面f=0.5不变，用0表示完全光滑，用1表示完全连续，4种组合状态分别描述为：0-0表示2个界面均光滑，0-1表示第1界面光滑第2界面连续，1-0表示第1界面连续第2界面光滑，1-1表示2个界面均连续。

取反射裂缝长度分别为1 cm、9 cm和16 cm，分别代表裂缝扩展的初期、中期和后期，分析在车辆静荷载作用下，当层间接触状态变化时裂缝尖端应力强度因子变化规律。不同层间接触状态对应力强度因子影响计算结果如图4所示。

图4　不同层间接触状态对应力强度因子的影响柱形图

从图4中可以看出，在裂缝扩展的3个阶段，裂缝尖端应力强度因子随着层间接触状态由完全光滑变化到部分连续或完全连续时逐渐减小。以1 cm裂缝长度为例，随着层间接触状态由0-0变化到0-1、1-0和1-1时，K*分别减小20.3%、19.1%和25.3%。分析可知当层间接触状态为完全连续时，裂尖应力强度因子最小，其次为沥青加铺层与应力吸收层光滑和应力吸收层与旧水泥混凝土路面连续的组合。但由于施工原因不可能达到完全连续，而真正层间接触状态是介于完全光滑和完全连续之间。以下将重点分析各层层间接触状态独自改变对K*的影响。计算结果如图5～7所示。

图5　应力吸收层和沥青加铺层接触状态对K*的影响曲线图

图6　应力吸收层和旧水泥混凝土路面接触状态对K*的影响曲线图

图7　旧水泥混凝土路面和基础接触状态对K*的影响曲线图

图5为沥青加铺层和应力吸收层接触状态改变时裂缝尖端应力强度因子变化曲线。从图中可知随着接触状态由0变化到1时，应力强度因子逐渐减小且趋势越来越缓。以1 cm裂缝长度为例，裂缝尖端应力强度因子由接触状态为0时的0.136 MPa·m1/2减小到接触状态为1时的0.112 MPa·m1/2，减幅为17.5%。

图6为应力吸收层和旧水泥混凝土路面接触状态改变时裂缝尖端应力强度因子变化曲线。从图中可知随着解除状态由0变化到1时，应力强度因子逐渐减小且趋势放缓。以1 cm裂缝长度为例，当接触状态为0时，应力强度因子为0.138 MPa·m1/2，当接触状态为1时，应力强度因子为0.112 MPa·m1/2，减幅为18.7%。

图7为旧水泥混凝土路面和基础接触状态改变时裂缝尖端应力强度因子变化曲线。从图可知随着接触状态由0变化到1，应力强度因子逐渐减小且趋势放缓。以1 cm裂缝长度为例，应力强度因子由接触状态为0时的0.125 MPa·m1/2减小到接触状态为1时的0.112 MPa·m1/2，减幅为10.4%。

以上3种情况的分析均取裂缝长度为1 cm，各层接触状态均由0变化到1，应力强度因子减幅最大的是应力吸收层和旧水泥混凝土路面接触状态的改变，其次为沥青加铺层和应力吸收层层间接触状态的改变。

以应力吸收层和旧水泥混凝土路面层间接触为例，从图6不难发现，在接触状态由完全光滑向完全连续变化的过程中，应力强度因子先是快速减小，而当层间结合系数达到一定程度后再提高结合系数变化不再明显，说明在完全光滑和完全连续间存在一个较佳的接触状态。以裂缝1 cm长度为例，当f从0增加到0.7时，应力强度因子减幅为14.1%；当f超过0.7后，曲线趋于平缓，f=1.0时与f=0.7时相比，仅减小0.1%。表明在本分析中当层间结合系数达到0.7左右时，应力强度因子变化不再明显。层间结合状态越好越有利于抑制反射裂缝的扩展，因此在沥青加铺层施工过程中，加强沥青加铺层与旧水泥混凝土板间的联结非常重要，是防止加铺层底部开裂的重要途径之一。

5　结语

以广西南宁市某城市道路改扩建工程典型路面结构为例，分别取3个典型裂缝长度研究车辆静荷载作用下层间接触状态变化对沥青加铺层应力强度因子的影响，分析表明各接触层间粘结性能的增强可有效降低裂缝尖端应力强度因子。影响最明显的层间接触关系为应力吸收层与旧水泥混凝土路面接触状态，在本文分析模型中当f=0.7时再继续增大结合系数影响效果不再明显。本文为沥青加铺层的抗裂设计提供了一些观点和建议，可供同行参考。

[1]杨斌.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范[S].

[3]王随原.旧水泥路面沥青加铺层疲劳寿命预估方法研究[D].长沙：长沙交通学院，2003.

[4]郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计原理与方法[M].北京：人民交通出版社，2002.

[5]Zheng Jianlong，Zhang Qisen.The Nolinear Analysis of Low Temperature Shrinkage Cracking in Ashpalt Pavements[C].Proceedings of the Asian Pacific Conf.On computational Mechanics，Hong Kong，1991.

[6]JTJ H10-2009，公路养护技术规范[S].

Analysis on the Impact of Interlayer Contact State Changes on Stress Intensity Factor

HU Yao-qiang，HUANG Qin-shou

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

How to prevent the reflection cracks is one of major problems required to be solved for the asphalt overlay of old cement concrete pavement.Taking a city road expansion and reconstruction pro-ject in Nanning as the example，this article established the plane strain model by using the ABAQUS fi-nite element software，and analyzed the impact of interlayer contact state changes on the stress intensity factor of asphalt overlay，and the results showed that the enhancement of adhesive properties among all contact layers can effectively reduce the stress intensity factor of crack tips.

Asphalt overlay；Interlayer contacts；Reflection crack；Stress intensity factor

U416.216+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.003

1673-4874(2016)05-0004-03

2016-04-23

胡耀强(1982—)，工程师，研究方向：道路工程设计；

黄钦寿(1984—)，工程师，研究方向：道路工程设计。