路基不均匀沉降对沥青路面Top-Down开裂影响分析

张茗

(海南路桥工程有限公司，海南 三亚 572000)

基于“强基薄面”的设计理念，目前中国二级以上公路大多采用半刚性基层沥青路面。由路基不均匀沉降导致的沥青路面Top-Down裂缝(TDC)是导致沥青路面结构破坏的主要原因之一。大量研究表明，TDC产生初期，对路面结构承载力的影响很小，但随着路基不均匀沉降，TDC裂纹向路基内部扩展，对半刚性基层沥青路面的结构承载力和结构整体性产生破坏，严重影响路面的使用性能和寿命。因此，对路基不均匀沉降导致的沥青路面Top-Down开裂行为进行研究，对提高半刚性基层沥青路面的整体承载力和延长路面使用寿命意义重大。

近年来，将有限元软件运用于半刚性基层沥青路面开裂行为研究已日趋成熟，借助有限元软件对半刚性基层沥青路面开裂机理及影响因素进行了大量研究。如Zhao Y.等基于多层弹性计算机代码APRA对沥青路面的应力状态进行分析，认为行车荷载与路面接触时产生的横向拉应力是导致TDC裂纹的原因之一；Miao Y.等为避免有限元中网格划分对计算结果的影响，采用多域混合边界点法和断裂理论分析了水平应力对TDC裂纹的影响。但对路基不均匀沉降导致的沥青路面Top-Down开裂成因和影响因素尚缺乏充分研究。为此，该文借助有限元软件，分析路基沉降和裂纹位置等因素对沥青路面TDC开裂的影响。

1 工程概况

依托某二级公路实体工程，对有限元模型参数进行标定。该公路的路面结构组成为4 cm AC-13上面层、6 cm AC-20下面层、20 cm 5.5%水泥稳定碎石基层、20 cm 4.0%水泥稳定碎石底基层、3 m压实土基(见图1)。

图1 路面结构示意图

2 有限元建模

2.1 模型基本假定

(1)考虑到面层材料的黏弹特性，选择广义Maxwell本构模型表征本构关系，基层、底基层及土基材料特性则为线弹性。

(2)考虑到路面为多层弹性体系，设定有限元模型层间位移完全连续。

(3)模型四周为法向约束、底部为完全约束。

(4)考虑到路面材料的自重，在Y方向为模型添加重力加速度。

(5)考虑到面层的吸热特性，以50 ℃条件下沥青混合料的工程参数作为模型计算参数。

2.2 模型建立

在有限元软件中设定沥青路面模型尺寸为X×Y×Z=6 m×3.5 m×4 m。为模拟TDC裂纹效果，在模型中设置一条纵向表面裂纹，裂纹初始深度h0=1 cm。在有限元计算分析过程中，荷载选取BZZ-100单轴双轮标准轴载，垂直压力设定为0.8 MPa，荷载布设位置见图 2。考虑到路基不均匀沉降的长期性和复杂性，为简化模型，突出主要因素的影响，将有限元模型中的土基分为左右两部分，保持两部分在X方向上完全连续，而在Y方向上单独对右侧土基施加沉降值，以此简化路基不均匀沉降的作用效果。有限元模型见图3。

图2 荷载布设方式示意图(单位：m)

图3 有限元模型

2.3 模型参数

参考文献[8]，设定表1所示各层材料参数。

表1 有限元模型参数

3 计算结果与分析

3.1 沉降对TDC裂纹扩展的影响

将沉降值设定为0、1、2、3、4、5 cm，通过有限元模型分析半刚性基层不均匀沉降对半刚性基层沥青路面TDC裂纹扩展的影响。为提高沉降值对TDC扩展影响的精度，绘制不同初始沉降值下扩裂时程曲线(见图4)并提取6种不同情况下TDC裂纹最终扩展值(见图5)。

图4 初始沉降值对TDC裂纹扩展的影响

图5 初始沉降值对TDC裂纹扩展终值的影响

由图4和图 5可知：总的来看，初始沉降值越大，TDC裂纹的最终扩展深度越大。初始沉降值为零时，TDC没有继续扩展，最终沉降值为零；初始沉降值为1 cm时，TDC裂纹的最终扩展深度为20 mm；初始沉降值为3 cm时，TDC裂纹的最终扩展深度为40 mm，是初始沉降值为1 cm时TDC裂纹扩展终值的2倍；初始沉降值为5 cm时，TDC最终扩展深度为90 mm，裂纹深度已达到面层深度的90%，几乎贯穿整个面层，说明沉降值继续增大会加剧TDC裂纹的最终扩展深度，并将裂缝扩展至基层，增加路面病害产生的概率，对路面不利。此外，初始沉降值对裂纹扩展的影响程度随时间的延长先增大后减小，表现为图 4中每条曲线的斜率先增大后减小。每条曲线的起裂时刻与扩展速率之间不尽相同，没有较强的规律性，初始沉降值较小(1、2 cm)时，2 cm初始沉降值更早开始裂纹扩展，两者的扩展速率之间没有明确的相关关系；初始沉降值越大(3、4、5 cm)，裂纹起裂时刻越早，且三者的扩展速率与初始沉降值成正相关关系。

综上，路基不均匀沉降初始值越大，裂纹应力集中积累的损伤应力越大，TDC裂纹扩展速率和扩展程度增大。

3.2 裂纹位置对TDC裂纹扩展的影响

在分析沉降值对裂纹扩展的影响规律时，TDC在模型中的位置固定于路中央，未考虑裂纹位置对TDC裂缝扩展的影响。在实际使用过程中，路面受行车荷载和路基不均匀沉降的共同作用，路面结构的应力分布也呈动态变化。如图6所示，将模型中的初始沉降值设为5 cm，分析裂纹向左侧非沉降区平移1、2、3、4、5 cm和向右侧沉降区平移1、2、3、4、5 m时路面结构受力。分析结果见图7、图8，2种偏移情况下TDC裂纹的最终深度见图9。

图6 裂纹布设示意图

图7 裂纹左移对TDC裂纹扩展的影响

图8 裂纹右移对TDC裂纹扩展的影响

图9 左移与右移情况下TDC裂纹终值对比

由图 7、图 8可知：无论裂纹向左侧还是向右侧平移，TDC裂纹扩展终值都随位移值的增大先增大后减小，最终在平移5 cm后裂纹扩展值为零，说明裂纹无论是左移或右移，大于等于5 cm时TDC裂纹不发生扩展。

由图9可知：裂纹左移比裂纹右移对裂纹扩展的影响大。偏移1 cm时，两者裂纹扩展终值变化趋势相同；但裂纹位置由1 cm偏移至2 cm时，裂纹左移，扩展终值减少28.6%，裂纹右移扩展终值减少9.5%；裂纹位置平移4 cm时，裂纹左移扩展终值降为零，裂纹右移裂纹扩展终值减少47.6%。TDC裂纹偏移位置大于1 cm时，裂纹向右偏移所导致的TDC裂纹扩展终值始终大于裂纹左移对应的值。以偏移值3 cm为例，裂纹右移时扩展深度为60 mm，左移对应的裂纹扩展深度为35 mm，右移对TDC裂纹扩展的影响比左移小得多。

4 结论

(1)沉降值和TDC裂纹位置对半刚性基层沥青路面Top-Down开裂影响较大。初始沉降值越大，TDC裂纹扩展越严重。初始沉降值为零时，单一的轴载作用并不会造成裂纹扩展；初始沉降值为5 cm时，裂纹几乎贯穿整个路面层。

(2)沉降值越大，裂纹开裂时刻越早，裂纹扩展时间变长，且开裂速率越大，表现为扩展速率及扩展终值增大。

(3)裂纹位置对裂纹扩展的影响较复杂，影响程度随裂纹平移距离和方向而改变，TDC裂纹往沉降区平移对裂纹扩展的影响小于向非沉降区平移；裂纹扩展终值随平移距离的增加而下降时，右移对应的裂纹终值衰减速率比左移慢。