半刚性基层路面反射裂缝的影响因素分析

2022-08-15陈卜

交通世界 2022年19期

陈卜

（衡水龙翔公路工程勘察设计咨询有限公司，河北衡水 053000）

0 引言

道路的运行能力和使用寿命影响着经济的健康发展，交通网络的建立是促进区域经济发展的积极因素。因此，道路必须具有较大的刚度、路基具有较强的承载力，才能有效延长道路的服务年限[1-2]。为此，我国大多数高等级公路采用半刚性基层路面，该路面具有较大的刚度，且刚度随着龄段的增长而逐渐提高。随着社会需求的不断变化，公路面临的荷载变化较大，导致公路出现了一系列病害，如反射裂缝等[3]。反射裂缝是半刚性基层路面中常见的一种病害，主要受温度荷载和交通荷载的影响，使半刚性基层路面产生收缩而导致开裂，进而向上扩展至沥青表层形成裂缝，严重损害了半刚性基层路面的平整度，也降低了公路的服务年限[2-5]。基于此，本文以温度荷载和交通荷载为研究对象，结合断裂力学等理论，分析了两种荷载对半刚性基层路面反射裂缝的影响。

1 试验条件选择

在进行温度荷载对半刚性基层路面反射裂缝的影响试验过程中，须设定试验所用的半刚性基层路面的泊松比、导热系数、弹性模量等是恒定不变的，并不随温度的变化而变化，路面结构层温度场在三维空间内是均匀分布的[5]。

通常情况下，面层模量、厚度以及沥青路面的温缩系数等是影响半刚性基层路面的主要因素之一[6-8]。因此，本文主要针对这三个方面进行相关的研究。半刚性基层路面一般由沥青混凝土面层、水泥稳定碎石基层、水泥稳定沙砾垫层和土基四部分组成，其弹性模量分别为 50MPa、600MPa、1 500MPa 和 2 000MPa，导热系数一般为1.0W/m·℃、1.1W/m·℃、1.2W/m·℃、1.2W/m·℃，泊松比分别为0.3、0.2、0.2、0.25，试验所使用的ΔT为-10℃。本文用于试验的有限元模型采用ANSYS软件中提供的PLANE82断裂力学模型单元[1]。

2 温度荷载对半刚性基层路面反射裂缝的影响

温度荷载对半刚性基层路面的病害主要表现在温缩裂缝的形成，其应力强度因子一般为张开型[6-8]，温缩裂缝的大小与外界的气温变化、路面的材料等关系密切。本文分别分析了10cm、15cm 和20cm 沥青面层厚度的变化规律，其结果见图1。从图1 可以得出，面层模量（图1(a)）与面层温缩系数（图1(b)）均随着相关参数的增加使得裂缝尖端（张开型）的应力强度因子加大，而随着面层厚度的增加，可以不同程度地降低其他参数对应力强度因子的作用，间接地降低了裂缝尖端应力强度因子，进而有效地减缓反射裂缝向上扩展。基层模量（图1(c)）和基层温缩系数（图1(d)）与面层模量和面层温缩系数具有较为一致的变化规律，也具有随着相关参数的增加使得裂缝尖端（张开型）的应力强度因子加大的特征，但与前两者不同的是，后者对应力强度因子的影响作用更加明显。

图1 温度荷载对半刚性基层路面强度因子的影响

3 行车荷载对半刚性基层路面反射裂缝的影响

3.1 面层材料特性的影响

面层材料的不同对半刚性基层路面反射裂缝有着重要的影响作用，不同的面层模量、面层厚度是主要的评价指标[9-11]。从图2(a)可以得出，在正对称荷载的条件下，KⅠ（应力强度因子）随着面层模量的逐渐增加而减小；在反对称荷载条件下，KⅠ随着面层模量的逐渐增加而减小，而KⅡ随着面层模量的增加而增加。由此可以得出，面层模量的逐渐增加可以有效减缓张开型裂缝的扩展，但会加剧剪切型裂缝的扩展，从图2(a)的变化规律认为，半刚性基层路面的面层模量以1 000 ～2 000MPa 为宜。从图2(b)可以得出，无论是正对称荷载条件，还是反对称荷载条件，应力强度因子KⅠ、KⅡ均随着面层厚度的增加而减小，由此得出，适当增加面层的厚度可以有效抑制裂缝的扩展，从图2b 的变化规律认为，半刚性基层路面的面层厚度以大于16cm为宜。

图2 面层模量(a)和面层厚度(b)对裂缝尖端应力强度因子的影响

3.2 基层材料特性的影响

基层材料的影响主要体现在基层模量和基层厚度两方面[9-11]。从图3(a)可以得出，在正对称荷载的条件下，KⅠ（应力强度因子）随着基层模量的逐渐增加而增加；在反对称荷载条件下，KⅠ随着基层模量的逐渐增加而增加，而KⅡ随着基层模量的增加而减小，由此可以得出，基层模量的逐渐增加可以促使张开型裂缝的扩展，但是可以减缓剪切型裂缝的扩展。从图3(a)的变化规律认为，半刚性基层路面的基层模量应小于3 000MPa 为宜。从图3(b)可以得出，无论是正对称荷载条件，还是反对称荷载条件，应力强度因子KⅠ、KⅡ均随着基层厚度的增加而增加，由此得出，基层厚度的增加会促使裂缝扩展，从图3(b)的变化规律认为，半刚性基层路面的基层厚度应小于34cm为宜。

图3 基层模量(a)和基层厚度(b)对裂缝尖端应力强度因子的影响

3.3 底基层材料特性的影响

底基层材料的影响主要体现在底基层模量和底基层厚度两方面[9]。从图4(a)得出，在不同的荷载方式下，KⅠ随着底基层模量的增加而增加，而KⅡ却具有相反的变化关系，且具有KⅡ减小的速度比KⅠ增加的速度慢的特征。因此，综合认为底基层模量以600～800MPa 为宜。从图4(b)可以得出，随着底基层厚度的增加，在正对称荷载和反对称荷载条件下，应力强度因子变化规律与底基层模量的变化规律相似，都具有随着底基层厚度的增加KⅠ增加、KⅡ减小的特征；此外，当底基层厚度增加到一定程度时，在两种荷载条件下应力强度因子的变化范围很小，基本处于平衡的稳定状态，因此，底基层应大于33cm。

图4 底基层模量(a)和底基层厚度(b)对裂缝尖端应力强度因子的影响

3.4 反射裂缝长度的影响

反射裂缝长度的影响作用主要反映在裂缝扩展至面层不同厚度时的变化规律上[11]。从图5 中可以得出，在两种荷载（正对称和反对称）条件下，随着裂缝长度的增加，KⅠ和KⅡ均增加，且变化速率较快，由此可知，裂纹的发育程度及长度均可促使裂缝的扩展。因此，在公路建设过程中应考虑应力吸收层等的设置。

图5 裂缝长度对裂缝尖端应力强度因子的影响

3.5 荷载集度大小的影响

荷载集度大小的影响主要体现在行车荷载的影响方面。从图6 可以得出，在两种荷载（正对称和反对称）条件下，随着车辆轴载的增加，KⅠ和KⅡ均增加，且变化速率较快，由此可知，行车车辆过重会加剧裂缝的扩展，因此，应严格控制超重车辆的通行。

图6 车辆荷载对裂缝尖端应力强度因子的影响

4 荷载耦合对半刚性基层路面反射裂缝的影响

众所周知，半刚性基层路面反射裂缝的形成并不是单一荷载的作用，而是温度荷载、交通荷载等共同作用的结果[12-14]。一般来说，温度荷载与张开型裂缝的形成关系更为密切，而交通荷载则与剪切型裂缝的形成更为密切。公路的运行状况一般是复杂多变的，因此本文讨论了偏载条件下温度荷载与交通荷载之间的作用。由表1 可知，当温度荷载与交通荷载共同作用时，往往形成偏载现象，使得裂缝尖端受到两种作用的裂缝扩展，即张开型和剪切型共同存在，且二者并不是简单的叠加关系，而是由剪应力与张应力的大小共同影响。一般来说，低温收缩应力可以减缓交通荷载形成的剪切作用。