黏弹性对沥青路面疲劳开裂的影响分析

曹继伟/天津市道路桥梁管理处

黏弹性对沥青路面疲劳开裂的影响分析

曹继伟/天津市道路桥梁管理处

建立了黏弹性三维有限元模型,对典型沥青路面结构路表及沥青层底的水平应力进行了计算,分析了荷载模式及温度对黏弹性响应的影响。结果表明:在循环荷载作用下,路表和沥青层底都经受水平压应力和拉应力的重复作用,且在路表和沥青层底分别产生少量的残余拉应力和残余压应力,这有可能是造成沥青路面从上到下或从下到上疲劳开裂的原因之一。随着温度的升高,残余应力减少,且路表产生的压应力幅值和沥青层底产生的拉应力幅值都降低。

道路工程；沥青路面；黏弹性；疲劳开裂；温度

引言

长期以来,对于沥青路面疲劳开裂机理的研究大多集中于从下到上的裂缝。然而近年来越来越多的研究发现,路面结构中存在许多起始于路表的疲劳裂缝,这些裂缝在行车荷载作用下不断地向下扩展,这类裂缝称为“从上到下的疲劳裂缝(Topdownfatiguecracking)”。从上到下的疲劳裂缝已逐渐被国内外的道路工作者认为是沥青路面的一种主要病害形式。

一、有限元模型

本文对所示的路面结构进行分析。由于虚位移原理的成立与本构关系无关,所以弹性力学的变分原理及各类单元的有限元列式都完全适用于热黏弹性有限元,只需将弹性本构矩阵换为黏弹性本构矩阵即可。本文基于大型有限元软件ABAQUS进行二次开发,编写了相关的用户子程序进行分析。分析中采用双轮荷载,轮压为0.7MPa,双轮中心间距为32cm,为了便于有限元划分,车轮荷载简化为18.9cm×18.9cm的方形荷载。路面模型尺寸在X、Y、Z方向分别为3.0、3.0和5.0m,采用三维六面体八节点等参元,将路面结构划分为10752个单元,共12325个节点。除了对称边界条件外,假设在底面没有Z方向的位移,行车方向没有X方向的位移,侧面没有Y方向的位移。热黏弹性材料具有如下的积分型本构关系。可知,黏弹性材料的基本力学参数是松弛模量,而通过试验直接确定松弛模量比较困难。利用沥青混合料不同温度和荷载频率下复数模量试验结果,通过基本黏弹性关系转化确定松弛模量。工程中各层沥青混合料复数模量试验过程及结果详。从复数模量转换到松弛模量的理论关系,转换后得到的各沥青混合料松弛模量Prony系列的系数及时间-温度位移因子。

二、水平应力分析

为了研究黏弹性质对沥青路面疲劳开裂的影响,需要分析在荷载作用下沥青层表面和底面水平应力的变化情况。分析中采用0.1s的加载时间和0.9s的间歇时间,以模拟路面上行车荷载的作用,分别采用三种荷载模式(矩形、三角形、半正弦)进行分析,荷载幅值均为0.7MPa。在矩形荷载作用下、温度为25℃、单侧荷载中心下路表和沥青层底水平应力随时间的变化情况。本文中正值表示拉应力,负值表示压应力。可见,在加载的瞬间,路表产生瞬时水平压应力,而沥青层底产生瞬时拉应力。随着荷载的持续,路面结构逐渐向下弯曲,由于沥青混合料的松弛性质,水平拉/压应力逐渐削减。在卸载的瞬间,沥青层底水平拉应力突降,并由拉应力变为压应力。而路表水平压应力则突增,并变为拉应力。这是因为路面结构各层在加载过程中出现向下的弯曲,在卸载时,路面结构各层都有向上恢复的趋势,但由于沥青混合料的黏弹性质,路面结构不能像弹性材料那样瞬时恢复原状,而是需要一个过程,路面结构向上恢复造成了路表产生拉应力,而在沥青层底产生了压应力。这些水平应力在卸载过程中逐渐削减。可见沥青路面结构黏弹性分析得到的响应和弹性分析结果有显著不同。中采用位移间断法(Displacementdiscontinuitymethod)对沥青路面在矩形荷载作用下的分析也得到了类似的结果。由于黏弹性材料的应力历史依赖特性,荷载模式的选择对分析结果有较大的影响。采用矩形荷载,可以简化分析,但不能很好地模拟实际行车荷载的作用。所以对路面结构在另外两种荷载模式(半正弦和三角形)作用下的黏弹性响应进行了分析。由于三角形和半正弦荷载模式比较接近,计算得到的路面响应随时间的变化曲线也比较相似,但与矩形荷载有明显的不同。在半正弦或三角形荷载作用下,随着荷载逐渐增加,路表的水平压应力和沥青层底的水平拉应力逐渐增加,达到峰值后,水平应力逐渐降低。与矩形荷载相似,在卸载过程中,路表水平压应力逐渐降低并发展为拉应力,而沥青层底的水平拉应力则逐渐发展成为压应力。但应注意,半正弦或三角形荷载作用下,在卸载完成之前,路表和沥青层底的水平压/拉应力已发展成为相应的拉/压应力。这是因为在半正弦或三角形荷载峰值后,路面已有向上恢复的趋势,随着荷载的减少,当路面向上恢复的趋势大于在荷载作用下向下弯曲的趋势时,则水平拉/压应力变为相应的水平压/拉应力。疲劳开裂的主要影响因素之一是在加载和卸载过程中在路表和沥青层底产生的水平拉应力或压应力的峰值。可见,虽然各种荷载模式的幅值都一样,无论在路表还是沥青层底,半正弦荷载产生的拉应力或压应力的峰值都比矩形荷载有较大幅度的降低。这是由于沥青混合料的黏弹性质使路面在外力作用下的响应和作用时间密切相关,而在矩形荷载瞬时加载和卸载过程中,路面几乎没有反应时间,所以产生较大的拉应力和压应力。由以上分析可知,荷载模式对沥青路面的黏弹性响应有很大的影响,所以在分析时应尽可能采用与实际行车荷载接近的荷载模式。给出了分析中所用荷载模式的轮隙中心和单侧轮载中心的位置。给出了半正弦荷载作用下路表和沥青层底距轮隙中心不同距离处各点水平应力随时间的变化,图中同时标出了轮隙中心和单侧轮载中心所对应的位置。可见,在加载过程中,轮载中心下路表水平压应力和沥青层底水平拉应力发展较快,而在加载、卸载结束后(0.1s),从轮隙中心到单侧轮载中心范围内产生的路表水平拉应力和沥青层底水平压应力基本相同,在轮载中心以外,水平应力逐渐减少。在间歇时间结束后(1.0s),不同距离处各点路表或沥青层底水平应力都接近于零,表明应力基本完成。

三、结束语

荷载模式对沥青路面的应力黏弹性响应有很大的影响,所以在分析时应尽可能采用与实际行车荷载接近的荷载模式。沥青路面响应的黏弹性分析结果和弹性分析结果有很大的不同,在循环荷载作用下,路表经受水平压应力和拉应力的重复作用,这可能是造成沥青路面从上到下疲劳开裂的原因之一。沥青层底则经受水平拉应力和压应力的重复作用,这与传统认为从下到上疲劳裂缝只由重复水平拉应力造成的解释机理明显不同。分析结果对确定合理的室内疲劳试验条件具有参考意义。循环荷载作用下,在路表和沥青层底分别产生少量的残余拉应力和残余压应力,随着温度的升高,沥青混合料的松弛能力增强,残余应力减少。

[1]钱国平,郭忠印,郑健龙,等.环境条件下沥青路面热黏弹性温度应力计算[J].同济大学学报,2014.

[2]郑健龙,关宏信.温缩型反射裂缝的热黏弹性有限元分析[J].中国公路学报,2014.