温度动载作用下沥青路面开裂分析研究

张星宇

（江西高速石化有限责任公司,江西 南昌 330000）

0 引言

沥青路面在我国公路建设中的应用比较普遍，沥青路面在应用过程中因为材料质量、环境条件、交通状态等因素的影响，防范和治理面层开裂成为常态。高海拔气候恶劣地区的沥青路面开裂诱因、发展状态以及治理方式，有其独特的规律和特点。该研究基于断裂力学、温度应力场理论，应用ABAQUS有限元软件，引入应力强度因子，对温度动载作用下的高海拔地区沥青路面开裂发展状态展开分析研究，探讨温度和移动载荷影响下的沥青路面裂隙发展规律，以进一步梳理适合该地区公路沥青路面的防开裂养护治理思路。

1 案例与分析模型

某公路采用双向单车道，自上而下路面结构为“AC-13细粒度混凝土上面层4 cm+AC-20中粒度混凝土下面层5 cm+水稳定基础层和土基20 cm”。地域海拔超过5 000 m，常年低温、昼夜温度差，使路面持续承受比较大的温度应力，面临温缩开裂考验。过往货车较多，货车装载量动辄数十吨。车道少，车辆多，路况和气候差，行车速度慢，使路面经常面临更大和更长时间的动载荷作用。特殊的地域、气候和交通载荷状态下，该公路面临着防御温度动载作用下的沥青路面开裂治理任务。该研究利用有限元ABAQUS模拟系统，建立路面裂隙有限元三维模型（高2 m×长6 m×宽3.75 m）。为提高模拟精度，在裂隙尖端配置增加了奇异单元运算。

2 温度动载影响模拟结果与分析

2.1 温度动载作用分析

通过模拟运算，获得了沥青路面在移动载荷影响下的动载应力云图。显示在0.01 s的时候，车道边缘处应力集中，这时的移动载荷刚刚开始作用于行车区域。随着时间的推移，应力集中区域逐渐向右移动，接近裂隙所在区域。车辆经过裂隙之后，应力集中继续向右移动，在0.20 s时远离了设定施加载荷区域[1]。

裂隙区域的Mises应力也发生了一系列的变化。当刚施加0.01 s载荷时，裂隙区域应力在1.101~1.239 MPa范围，当载荷逐渐向裂隙移动时，裂隙区域应力小于1.123 MPa。当载荷处于裂隙上方时，发生显著应力集中，应力在1.215~1.620 MPa间变动。载荷驶离裂隙的1.04 s时刻，载荷作用区域仍应力集中，应力值在1.142~1.268 MPa范围。当载荷即将驶离加荷区域时，应力集中区远离裂隙，应力值处于1.048~1.178 MPa范围。总体来说，载荷在裂隙附近时，裂隙区的应力相对最集中。

在Ti的7:00和16:00时刻引入温度场及其应力场，对移动载荷对裂隙尖端的影响进行分析[2]。结果显示，0.09~0.11 s之间，移动载荷从裂隙正上方经过，直方图的峰值在这个阶段发生，此与上面的应力云图反应状态一致。16:00应力高于1 000 kPa，7:00的应力均不到500 kPa，两者存在着较大差异。二者的动载荷施加和应力时程波动状态均基本一致，显然是温度场引发的温度应力差异所致。7:00、16:00时的裂尖应力强度因子KⅠ、KⅡ和KⅢ的时程曲线见图1和图2所示。

图1 应力强度因子7时时程曲线

图2 应力强度因子6时时程曲线

应力强度因子强度曲线显示，7:00时KⅠ的绝对值小于 1 000 kPa·m1/2，K Ⅱ的绝对值高达 12 000 kPa·m1/2，KⅢ在整个过程中几乎为零，比前二者小了约6~7个量级。因此在温度和移动载荷的影响下，开裂多为Ⅰ、Ⅱ型状态，并且后者居于主导地位，16:00时也是如此，因此在下面讨论中，只考虑KⅠ和KⅡ对应的Ⅰ型和Ⅱ型裂隙。对于KⅡ，正反两方面因素都促进其发生开裂。从动载荷加施过程看，当移动载荷接近裂隙上方时，KⅡ的绝对值迅速增大，当移动载荷远离裂隙上方时，KⅡ的绝对值会迅速降低。对于kⅠ，当移动载荷行驶到裂隙上方时，其值为正，是促进Ⅰ型开裂；远离裂隙上方时，其值为负，是为不促进开裂。

在图2和图3中，7:00的KⅡ曲线各点的纵坐标总是比16:00的要低，7:00时KⅡ的绝对值比16:00的要大，表明7:00时更促进Ⅰ型和Ⅱ型开裂的发生与发展。上面已经讨论过16:00的应力值要比7:00的应力值高，之所以这样，是由于7:00的温度远比16:00要低，由此致使沥青复合料发生了性能参数差异。这也就解释了为什么高海拔和低温地区的沥青路面更容易开裂。

2.2 应力因子影响分析

前述分析显示，在温度和动载荷的影响下，7:00要比16:00更易于促进Ⅰ型和Ⅱ型裂隙的发生和发展。原因是7:00时沥青温度比16:00时的温度低，造成沥青复合料模量不同，促进形成更大的KⅠ和KⅡ绝对值。接下来，通过分别增大和减小上下层的原始模量，观察Ⅰ型和Ⅱ型开裂应力的强度因子变化状态，借以探讨有利于抗御开裂的复合料改进方向。

（1）上面层模量。模型3的材料性能函数中，分别将AC-13的模量降低和增加200 MPa，其他项目不变，提交运算，所得的应力强度因子KⅠ和KⅡ时程柱图见图3和图4所示[3]。

图3和图4显示，增大上面层模量使KⅠ和KⅡ的应力强度因子均绝对值增大，而降低上面层模量，应力强度因子的绝对值均随之降低。对上面层增加200 MPa模量时，KⅠ最大强度因子增加8.79%，对上面层降低200 MPa模量时，KⅠ强度因子最大降低9.11%。同理，KⅡ最大强度因子值增加10.36%，上面层降低200 MPa模量时，KⅡ最大强度因子值降低10.09%。

图3 上面层KⅠ应力强度因子时程柱图

图4 上面层KⅡ应力强度因子时程柱图

所以适当降低上面层模量有助于降低KⅠ和KⅡ的极值状态，有利于控制和缓解沥青路面结构层因温度和载荷应力影响而发生开裂。

（2）下面层模量。将下面层AC-20的模量分别增加减少200 MPa，其他操作保持不变。KⅠ、KⅡ时程柱图如图5和图6所示。

图5 下面层KⅠ应力强度因子时程柱图

图6 下面层KⅡ应力强度因子时程柱图

图5和图6显示，增加下面层的模量，KⅠ和KⅡ应力强度因子的最大绝对值降低，而降低下层的模量，KⅠ和KⅡ应力强度因子的最大绝对值增加。KⅠ的基准模量最大值为599.3 kPa·m1/2，增加200 MPa后的最大值为599.0 kPa·m1/2，减小 200 MPa后的最大值为 609.0 kPa·m1/2。上面层模量增加200 MPa时，KⅠ最大值下降0.05%，上面层模量减少200 MPa时，KⅠ最大值增加1.62%。KⅡ的基准模量最低值为-9 011.6 kPa·m1/2，增加200 MPa后的最低值为-8 959.0 kPa·m1/2，减小200 MPa后的最低值为-9 064.3 kPa·m1/2。上面层模量增加200 MPa时，KⅡ最低值下降0.58%，上面层模量减少200 MPa时，KⅠ最低值增加0.58%。

所以适当降低下面层模量，会增加KⅠ和KⅡ的极值，提高下面层模量，有助于降低KⅠ和KⅡ的极值，控制或缓解沥青路面裂隙的滑开型、张开型扩展。

2.3 车辆荷载影响分析

2.3.1 车速影响

车速影响移动载荷对路面的作用状态。分别将速度从15 m/s改为30 m/s和10 m/s，得到应力强度因子的变化状态如下：尽管车速变化，但是不同移动载荷引起的Ⅰ型裂隙的应力强度因子KⅠ的峰值基本相同。但随着速度的降低，移动载荷对裂隙尖端的作用时间增加，使得KⅠ大于0的时间变长，从而促进Ⅰ型裂隙的产生。当车速变化，不同移动载荷引起的裂隙尖端应力强度因子KⅡ的峰值一般是相同的。同样，随着车速的降低，移动载荷对裂隙尖端的作用时间增加，无论KⅡ正负与否，均可以促进裂隙Ⅱ型开裂，所以低车速会促进裂隙的发展。

2.3.2 接地压力影响

车辆行驶时，道路不仅要承受车身自重施加的静压力，还要承受车辆振动产生的动载荷。无论是静载荷还是动载荷，都是通过轮胎将载荷直接传导到路面，通过改变轮胎的压力，可以改变轮胎与路面的接触面积。因此可以通过适当改变接地的压力来模拟行驶动荷载的影响。公路运输时常存在超载现象。超载车辆一般通过增加胎压来维持行驶功效，而胎压的增加会增加轮胎的接地压力。通常汽车轮胎气压多高于1 MPa，这超过了0.7 MPa的标准。本部分通过改变轮胎接地压力，讨论对裂隙扩展的影响，接地压力分别选择标准压0.7 MPa、过载1.0 MPa 和过载 1.3 MPa[4]。

在图7中，KⅠ应力强度因子随着接地压力的增加而增加，0.7 MPa的KⅠ接地压力最大值为599.3 kPa·m1/2，1.0 MPa接地压力KⅠ的最大值为857 kPa·m1/2，1.3 MPa接地压力KⅠ的最大值为1 113.7 kPa·m1/2。当接地压力增加0.3 MPa时，KⅠ最大值增比分别为43.0%和30.0%。

图7 接地压力影响的KⅠ应力强度因子时程柱图

3 结语

综上所述，以有限元模拟分析的方法，对温度动载作用下的高海拔地区的沥青路面开裂发展状态开展分析研究。①开展了温度动载作用分析，结果显示，适当降低上下结构层模量，有利于控制和缓解沥青路面结构层因温度和载荷应力影响而发生开裂。②开展了应力因子影响分析，结果显示，降低上下面层模量，有助于降低KⅠ和KⅡ的极值，控制或缓解滑开型、张开型扩展。③开展了车辆荷载影响分析，结果显示，低行车速度下，移动载荷对裂隙尖端的作用时间增加，增加轮胎与地面的压力，会促进沥青路面开裂。