水平荷载作用下半刚性基层沥青混凝土路面开裂的扩展

张兴宇

(遵义市交通勘察设计有限公司， 贵州 遵义 563000)



水平荷载作用下半刚性基层沥青混凝土路面开裂的扩展

张兴宇

(遵义市交通勘察设计有限公司， 贵州 遵义 563000)

采用三维有限元方法，对半刚性基层沥青混凝土路面在水平荷载作用下开裂情况进行了分析，研究了水平荷栽作用不同时半刚性基层沥青混凝土路面结构的力学响应规律，分析了半刚性基层厚度和土基模量对水平荷载产生应力的影响。结果表明：水平荷载加载后，在0≤μ≤0.3，路面结构的最大剪应力τmax峰值和最大拉应力σ1峰值的变化较小，μ>0.3，两值有明显增加。水平荷载大小对路面结构τmax峰值的影响主要集中在路面上部，在μ为0.3时，τmax在路表出现；在基层深处，水平荷载的影响较小；土基模量水平荷载所施加的力主要集中在路面结构层上部，在一定深度以后水平荷载所施加的影响甚微。

水平荷载； 半刚性； 沥青混凝土； 开裂

1 概述

沥青混凝土路面是我国高等级公路的主要路面形式，与水泥混凝土路面不同，其具有无接缝平整路面、行车过程中的低噪音、较短的施工周期、养护简便等优点[1-3]。在沥青混凝土路面的开裂破坏中，造成的主要因素是行车荷载，我国在进行沥青混凝土路面设计时，只考虑了轮载的垂直力作用，汽车行驶时，在车轮转动的过程中，由于摩擦作用对路面产生了一定的水平切向力。在路面使用过程中，既受到垂直力的作用，同时也受到水平力的作用，是这两种力共同作用的结果[4]。

在路面上坡较长或较陡的路段，沥青混凝土路面易遭受破坏，这是由于重载车辆在这种路段行驶比较缓慢，随着坡度的增加，应力也随之显著增大造成的；在道路交叉口，车辆刹车时也会有较大水平力产生，当水平力超过一定值时，产生较大剪应力和拉应力而发生剪切和拉裂等破坏[5-7]。

开裂是沥青路面早期主要病害之一，目前关于沥青路面开裂的研究，主要集中在结构层底部的疲劳开裂或基层的反射开裂[8-10]。近年来出现了一种沥青路面表面开裂，道路结构系统复杂，而半刚性基层沥青混凝土路面结构受力尤为复杂[11]。本文采用三维有限元方法，对水平荷载作用下半刚性基层沥青混凝土路面开裂的扩展进行了研究。

2 半刚性基层沥青路面结构

本文半刚性基层沥青混凝土路面结构从表面到底部共6部分，分别为上面层部分、中面层部分、下面层部分、基层部分、底基层部分、土基部分，路面各结构层参数见表1。

表1 半刚性基层沥青路面各结构层参数Table1 Thestructureparametersofsemi-rigidbaseas-phaltpavement路面各结构层厚度/cm模量/MPa泊松比上面层415000.15中面层514000.15下面层612000.20基层2515000.25底基层207000.30土基—540.35

3 计算模型

本文根据上述建模参数，利用ANSYS有限元软件对半刚性沥青路面结构建立11 m×11 m×7.5 m的三维数值模型，其中，Z轴方向表示路面深度方向，Y轴方向表示行车方向，X轴方向表示路面横向，对路基底部进行边界条件的全约束，其他四个截面分别约束其法向位移，具体如图1所示。

图1 几何模型透视图Figure 1 The perspective of geometric model

根据表1半刚性基层沥青混凝土路面结构及各层的参数，建立三维几何模型透视图(见图1)，利用ANSYS软件，在进行模型的分析计算时，如果网格划分不当，会造成结果偏大或偏小。网格划分过宽，会导致计算结果精度较差；网格划分过细，会导致单元尺寸偏小，也会引起计算的工作量增大。因此，模型网格的划分要根据实际情况进行，而不是越细效果越好。本文根据路面实际情况，在行车载荷区域范围内，网格划分较细，在行车载荷区域范围外，网格划分的尺寸较大，模型透视图见图2。

图2 网格划分透视图Figure 2 The perspective of mesh generation

在进行分析计算之前，要规定模型的边界条件，将地基、基层、各面层作为有限尺寸，其中规定地基为弹性半空间体，路基为固定面。在X和Z方向上，分别与X和Z相垂直的两断面无位移，各结构层完全接触且连续。有限元模型在网格划分完后产生，最后加载并计算求解。本文以最大拉应力σ1指标做参考，对路面结构中最大剪应力τmax的变化规律进行分析。

4 计算结果分析

4.1 水平荷载作用下路面结构受力分析

本文根据建立的三维有限元模型，计算加载后半刚性基层沥青混凝土路面结构的力学响应。根据表1的设计参数，进行计算，在不同的水平力系数μ作用下，得到最大剪应力峰值τmax、最大拉应力峰值σ1和距路表深度方向的距离，结果见表2。

从表2可以看出：水平荷载加载后，随水平力系数μ的增大，半刚性基层沥青混凝土路面结构的最大剪应力τmax峰值也呈增加趋势。在0≤μ≤0.3，τmax峰值比较接近，μ从0.1增加到0.3，τmax仅增加了2.1%；但在μ由0.3增大到0.6时，τmax增加近49.8%，增加非常明显。

在各水平力系数下的τmax峰值可以看出：其对应的距路表深度的距离表明，在μ=0.1时，τmax在距路表以下0.035 m处出现，在μ=0.2时，τmax则在距路表以下0.015 m处出现，可见在μ内小于某一程度时，τmax出现在路面结构内某一深度范围；当μ增大到0.3时，τmax则在路表出现，这说明当μ大于一定程度时，τmax峰值则会出现在路表面。

表2 水平荷载下最大剪应力和最大拉应力峰值及其位置Table2 Themaximumshearstressandmaximumtensilestresspeakvalueanditspositionunderhorizontalload水平力系数μ最大剪应力峰值τmax/MPa距路表深度/m最大拉应力峰值σ1/MPa距路表深度/m0.10.2710.0350.11000.20.2800.0150.11200.30.29200.11600.40.35300.16000.50.42700.20500.60.58400.3010

从表2最大拉应力峰值数据表明，μ较小时，σ1峰值相差较小，在μ由0.1增大到0.3时，σ1仅仅增加了5.2%；但当μ>0.3以后，σ1峰值增加幅度较大，μ从0.3增加到0.6，σ1增大了61.5%，这与最大剪应力峰值的变化规律一致。σ1峰值水平力荷载作用下基本位于路表处。

当水平力较大时，路表处最大剪应力和拉应力增大显著，剪切和拉裂破坏主要产生在车辆急刹车的路段，这主要是由于急刹车导致路表附近产生过大剪应力和拉应力。

4.2 水平力系数对路面各结构层的力学影响

4.2.1 最大拉应力峰值(见图3)

不同水平力系数μ下各路面层的σ1峰值均随μ的增大而增加，在μ相同时，各结构层的σ1峰值由大到小的顺序依次为上面层、基层、中面层、下面层；在μ≤0.3时，其σ1峰值相差较小，而μ>0.3时，σ1峰值增加的幅度较大。这是因为在μ较小时，σ1峰值在路面结构层深处，μ对σ1峰值影响较小；在μ较大时，σ1峰值已转到路表，μ对σ1峰值影响较大。

图3 最大拉应力峰值对比Figure 3 The comparison of maximum tensile stress

4.2.2 最大拉应变峰值(见图4)

不同水平力系数μ下各路面层的最大拉应变峰值均随μ的增大而增加，在μ相同时，各结构层的最大拉应变峰值由大到小的顺序依次为基层、中面层、上面层、下面层；在μ≤0.3时，其最大拉应变峰值相差较小，而μ>0.3时，最大拉应变峰值增加的幅度较大。这是因为在μ较小时，最大拉应变峰值在路面结构层深处，μ对最大拉应变峰值影响较小；在μ较大时，最大拉应变峰值已转到路表，μ对最大拉应变峰值影响较大。

图4 最大拉应变峰值对比Figure 4 The comparison of maximum tensile strain

4.2.3 最大剪应力峰值(见图5)

图5显示：不同水平力系数μ下，下面层和基层对整体路面结构的最大剪应变峰值影响较大；μ>0.3时，基层对τmax峰值的降低效果较明显，随着μ的增大，τmax峰值降低效果就越显著，而0≤μ≤0.3时，基层的τmax峰值与其他层相差不大。在0≤μ≤0.3时，下面层能将τmax峰值降低近14.3%，在μ>0.3时，下面层能大幅度降低τmax峰值，其降低幅度高过上面层、中面层和基层。这表明在水平荷载较大时，下面层降低τmax峰值效果最好，其他层效果顺序依次为中面层、上面层、基层。

图5 最大剪应力峰值对比Figure 5 The comparison of maximum shear stress

4.2.4 最大剪应变峰值(见图6)

图6显示：0≤μ≤0.3时，路面各结构层的最大剪应变峰值的相差较小；但μ>0.4，上面层和下面层对路面结构的最大剪应变峰值的降低效果最为显著。在μ=0.5和μ=0.7时，上面层的最大剪应变峰值要比基层分别小22.0%和33.3%。在μ值不同时，下面层比上面层对整体路面结构的最大剪应变峰值降低的效果要好。

图6 最大剪应变峰值对比Figure 6 The comparison of peak shear strain

4.3 半刚性基层厚度的影响

取μ=0.3，计算μ相同时半刚性基层沥青混凝土路面分别为18 cm和28 cm时的力学响应，其最大剪应变峰值和最大应力峰值的数据见图7、图8。

图7 最大剪应变峰值对比Figure 7 The comparison of peak shear strain

图8 最大拉应力峰值对比Figure 8 The comparison of maximum tensile stress

从图7和图8可以看出：随着路面深度的增加，τmax峰值逐渐减小，σ1峰值逐渐增加；在深度相同处，基层厚度为18 cm和28 cm的τmax峰值及σ1峰值差别不大，这主要是由于水平荷载的影响范围主要在路面的上部，其作用在基层深处较小。可见水平荷载产生受基层厚度的变化的应力影响较小。

4.4 土基模量的影响

取μ=0.3，研究在土基模量分别为54 MPa和180 MPa时半刚性基层沥青混凝土路面结构的力学响应，部分深度的数据如图9和图10所示。

图9 最大剪应变峰值对比Figure 9 The comparison of peak shear strain

图10 最大拉应力峰值对比Figure 10 The comparison of maximum tensile stress

从图9和图10可以看出：随着路面深度的增加，σ1峰值逐渐减小，τmax峰值逐渐增加；在深度相同处，σ1峰值和τmax峰值差别不大，基层厚度为180 cm的σ1峰值和τmax峰值比54 cm的略高，这说明水平荷载产生的应力受土基模量的变化影响较小，这主要是由于水平荷载所施加的力主要集中在路面结构层上部，一定深度以后所受影响甚微。

5 结论

① 水平荷载加载后，随水平力系数μ的增大，半刚性基层沥青混凝土路面结构的最大剪应力τmax峰值和最大拉应力σ1峰值呈增加趋势。在0≤μ≤0.3，τmax峰值和σ1峰值的变化较小，μ>0.3，两值有明显增加。在μ内小于某一程度时，τmax出现在路面结构内某一深度范围；当μ增大到0.3时，τmax则在路表出现。最大拉应力与最大剪应力峰值的变化规律一致，σ1峰值基本在位于路表处出现。

②μ为0.3时，半刚性基层沥青混凝土路面在上面层、中面层、下面层和基层都能在深度方向上减小相应结构层位的最大剪应变。但下面层比基层效果要好，较大水平荷载作用下，就降低路面结构的最大剪应变峰值而言，基层效果最好，上面层效果次之。0≤μ≤0.3时，路面各结构层的最大剪应变峰值的相差较小；但μ>0.4，上面层和下面层对路面结构的最大剪应变峰值的降低效果最为显著。

③ 水平荷载产生受基层厚度的变化的应力影响较小，水平荷载的影响范围主要在路面的上部，其作用在基层深处较小；水平荷载产生的应力受土基模量的变化影响较小，水平荷载所施加的力主要集中在路面结构层上部，一定深度以后所受影响甚微。

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Crack Extension of Semi Rigid Base Asphalt Concrete Pavement under Horizontal Load

ZHANG Xingyu

(Zunyi Communications Survey & Design Co.Ltd.， Zunyi， Guizhou 563000， China)

The three-dimensional finite element method in this paper，has carried on the analysis to the cracking of semi-rigid base asphalt concrete pavement under the action of horizontal load，calculated at different levels of loading mechanics of semi-rigid base asphalt concrete pavement structure response rules，analysis of the semi-rigid base thickness and sub-grade modulus of horizontal load produced the effect of stress.The results show that the horizontal loading，At is 0≤μ≤0.3，pavement structure of maximum shear stress sigmaσ1peak and the maximum tensile forceτmaxMax peak changed little；At isμ>0.3，two values increased significantly.The effect of horizontal loads on pavement structure tau Max peak is mainly concentrated on the upper part of the road surface，the closer to the road surface，the greater the effect of the horizontal force.At isμsmaller than 0.3 andτmaxMax peak in the table；in the depths of the grassroots，horizontal load has little effect；horizontal load of sub-grade modulus of the applied force mainly concentrated in the upper layers of pavement structure，the horizontal loads imposed by the little effect in certain depth.

horizontal load； semi-rigid； asphalt concrete； crack

2016 — 08 — 01

张兴宇(1972 — )，男，贵州湄潭人，高级工程师，研究方向：半刚性基层沥青混凝土路面开展的扩展。

U 418.6+6

A

1674 — 0610(2016)05 — 0244 — 05