沥青路面裂缝病害分析

2016-11-10周卫华海门东方路桥工程有限公司江苏海门226100

安徽建筑 2016年4期

周卫华　（海门东方路桥工程有限公司，江苏　海门　226100）

沥青路面裂缝病害分析

周卫华（海门东方路桥工程有限公司，江苏海门226100）

裂缝是沥青路面的主要病害之一，也是道路养护治理的难点。橡胶沥青的主要优点是其优越的抗裂性能。本课题以公路养护工程为依托，在力学分析及模拟分析的基础上，探究带裂缝路面力学特性，分析得出剪应力与拉应力是沥青层裂缝形成的主要原因。基层出现裂缝时，面层的剪应力和最大主拉应力位于下面层的底面，因此对于养护工程，当基层有裂缝时，更应提升面层材料的抗裂性能。

道路工程；沥青路面；裂缝；模拟分析

0　前言

在道路工程中，沥青路面作为一种主要形式，其结构为一种无接缝连续式柔性路面，并被广泛应用于道路建设中。随着现代公路交通工程朝着大流量、高速、重载和渠化明显的方向发展，加之我国地域宽广，南北温差较大，严酷的气候条件和地理差异都使沥青路面在使用中出现了不同形式的病害［1］。

沥青路面所存在的病害中，沥青路面的开裂是主要病害之一。路面裂缝的形式可分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝。沥青路面开裂的原因主要分为两大类：一种是由于交通荷载的作用而产生的结构性破坏裂缝，称为荷载型裂缝；另一种称作非荷载型裂缝，非荷载型裂缝可分为由于沥青面层自身温度变化而产生的温缩裂缝和由基层温缩、干缩及疲劳而引起的面层反射裂缝［2］。随着裂缝逐年加宽，边缘折断破碎，使路面平整度降低，行车舒适性大大降低，严重危及道路的使用性能，因此如何有效的控制沥青路面的开裂是沥青混合料在公路工程使用中一个迫在眉睫的问题［4］。

1　沥青路面裂缝类型及危害

1.1裂纹类型

在实际工程结构中的裂纹，由于外加作用力及位移方式的不同，通常分为3种基本形式，即：张开型裂纹（I型裂纹）、滑开型裂纹（Ⅱ型裂纹）、撕开型裂纹（Ⅲ型裂纹）（见图1）。

图1　裂缝的三种基本类型

图1中（a）为张开型（I型）裂纹：裂纹受到垂直与裂纹表面的拉应力σ，在σ的作用下，裂纹面产生张开变形，裂纹扩展方向与σ方向垂直；（b）为滑开型（II型）裂纹：裂纹受到平行于裂纹表面的剪应力τ，τ垂直于裂纹前缘，在τ的作用下，裂纹两个平面产生沿τ方向滑开位移；（c）为撕开型（Ⅲ型）裂纹：裂纹受到平行于裂纹面的剪应力τ，τ平行于裂纹前缘，在τ的作用下，两个平面裂纹产生沿τ方向错开位移。在实际路面结构中，这种裂纹形式较少出现，一般不予考虑。工程实际的裂纹断裂形式可以分解上述3种裂纹的组合。

当车辆通过半刚性下基层裂缝对应处的路面时，沥青面层的受力分为两个状态：①车辆荷载位于接缝或裂缝一侧时，即偏荷载，将引发剪切型移动，在沥青碎石基层中产生较大的剪切应力；②荷载位于裂缝正上方时，即对称荷载，将引发张开型移动，沥青稳定碎石基层主要承受弯拉应力作用。对于纵向裂缝而言，车辆荷载位于裂缝正上方的几率相对较少，偏荷载是应考虑的主要因素。

影响道路质量的主要因素之一是路面损伤，其中路面裂缝为路面损伤的主要方面。沥青混凝土的开裂过程先后经历4个阶段，即初始无损阶段、微裂纹形成及稳定扩展的连续损伤阶段、微裂纹汇合的损伤开裂阶段和完全断裂阶段。对于通车6～7年或者时间更长的公路，裂缝成为路面的最主要病害形式，裂缝又分为横向裂缝与纵向裂缝两种。

1.2裂纹的危害

裂缝的最主要危害是沥青路面水损害。在行车荷载作用下，水对沥青路面的损坏现象非常普遍。常见的坑槽、唧浆都是水损坏的表现。对于应用半刚性基层的沥青路面结构，当面层出现裂缝后，外界水可以不断地渗入并积存于基层顶面，因为半刚性基层致密、不透水，极易引起基层的冲刷，基层结合料在侵入水的浸泡下形成泥浆或灰浆，经行车荷载的反复挤压，使它从裂缝中被挤压而出，在面层出现白色灰浆，这种现象即为唧浆。在唧浆现象中，水侵入路面结构内部的途径是路面上出现的裂缝，唧浆的范围限于裂缝的周围。

当基层也存在裂缝时，外界水则会继续下渗进入底基层或路基，积聚的水分冲刷底基层，在基层纵缝中可见到明显的唧泥；当底基层本身板体性较差或水分浸泡时间较长时，底基层潮湿、软化，承载力大幅下降；严重时甚至积水，出现局部结构破坏。

2　带裂缝路面结构受力分析

2.1模型建立

在路况调查时，发现面层出现纵缝路段，水泥稳定碎石基层都有纵缝。沥青路面基层存在纵向裂缝时，路面力学性能将发生改变。本小节通过有限元分析，探讨基层带裂缝路面结构受力特点的变化。路面三维建模时单元均采用20节点实体单元缩减积分C3D20R，该单元能够更精确的计算单元应变分量，并且很好的承受扭曲变形，是应力/位移模拟的合适选择。路面结构在水平方向取6m，深度方向取5m。在非对称横断面上完全约束，对称面上限制垂直于对称面方向的位移，对于行车方向断面约束自由，底部完全约束。面层表面作为自由面，不进行任何约束。纵缝取位置在左侧轮迹带位置。对于裂缝特殊结构的模拟，由于常规有限元在靠近裂尖处难以正确反映裂缝尖端应力场的奇异性，故在裂缝尖端需设置奇异单元。三维裂缝尖端的奇异单元采用20结点的六面体所退化的五面体单元，退化面化为裂缝前缘，并将中间结点移置于靠近裂缝尖端1/4边长时，满足裂缝尖端的奇异性。用Abaqus模拟开裂路面的计算模型如图2、3。

图2　开裂的三维路面结构模型图

图3　下基层开裂裂缝局部模型

作用于路面的车辆荷载采用标准轴载BZZ-100。轮胎接地压强为0.7MPa，考虑轮胎胎纹间隙，计算时应力值取 0.9MPa，单轮传压面当量圆直径为21.30cm，轮胎接触面积由1个矩形和2个半圆形组成。为方便有限元计算，接触面积可进一步简化为等宽的单一矩形0.8712L×0.6L，其中L=260mm，即作用面积为0.228m×0.157mm，双轮中心距为32cm。车辆荷载布置考虑最不利情况，即偏载作用。布载位置如图4所示。

图4　车辆偏载分布图

2.2标准荷载计算结果

模型离散化后，根据对各结构层的假定约束条件，在最不利荷载位施加荷载，进行求解。经过有限元计算，可得出路面结构沥青面层顶面的第一主应力σ1，Tresca应力（注：等于σ1-σ3），以及最大剪应力τ（注：等于（σ1-σ3）/2）。计算结果以云图形式表示，如图5～8所示。

图5　沥青面层σ1应力云图

图6　沥青面层σx应力云图

图7　沥青面层Tresca应力云图

图8　沥青面层τxy应力云图

由图5～8可知，当沥青路面基层开裂时，在车辆偏载作用下，沥青面层第一主应力最大值σ1= 0.17MPa；σx最大值为0.07MPa，剪应力的最大值τ= 0.43MPa，τxy最大值为0.40MPa。

经过应力云图的局部观察，发现最大剪应力和τxy最大值均位于上面层底面处附近，因此取上面层底面的应力分布情况来探讨路面开裂前后沥青面层的受力性能的改变情况。

图9、10为无裂缝路面和有裂缝路面沥青面层上面层底面的内力对比图；表1为沥青路面结构开裂前后面层应力最大值对比数据。

沥青路面开裂前后面层应力分析（MPa）　表1

图9　沥青面层上面层底面τxy

图10　沥青面层上面层底面最大剪应力

对下基层不开裂和下基层开裂的两种路面，通过有限元分析，可得出如下结论：

①沥青路面不开裂时，面层的最大主应力为0.185MPa，而当下基层开裂时，面层最大主应力为0.17MPa，结构应力基本上相同；

②沥青路面不开裂时，面层的最大剪应力为0.35MPa，而下基层开裂时，面层的最大剪应力为0.43MPa，增幅达到23%，不开裂时，面层的τxy最大值为0.33MPa，开裂后最大值为0.40MPa，增幅为21%，同时从上面层底面的应力分布图也可以明显看到，当下基层开裂时，面层的剪应力有较明显的增加。

2.3重载作用下力学分析

有调查研究发现，实际的路面荷载最大可达到1.217MPa，属于重载，用Abaqus模拟计算超载下沥青面层受力状况，选用荷载工况为偏载，下基层开裂。

经过有限元计算，可得出路面结构沥青面层顶面的第一主应力σ1，Tresca应力（注：等于σ1-σ3），以及最大剪应力（注：等于（σ1-σ3）/2）。计算结果显示：当沥青面层开裂时，在车辆重载作用下，沥青面层第一主应力最大值 σ1=0.23MPa；剪应力的最大值 τ= 0.58MPa，τxy最大值为0.54MPa。