劉曉豐 陳松潔

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

瀝青混凝土路面裂縫的研究現(xiàn)狀

劉曉豐 陳松潔

（中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

簡(jiǎn)要介紹了瀝青路面使用現(xiàn)狀及主要問(wèn)題，有限元通用程序和有限單元應(yīng)力強(qiáng)度因子法在瀝青混凝土路面及瀝青路面裂縫結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，并對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測(cè)。

瀝青混凝土路面；有限單元法；斷裂力學(xué)

（一）瀝青路面使用現(xiàn)狀和問(wèn)題

目前我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍?萬(wàn)多公里，其中瀝青路面占了85%。由于瀝青路面在物理特性、行車(chē)舒適度、后期維護(hù)、環(huán)保等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。瀝青路面風(fēng)噪聲小，對(duì)車(chē)子胎面磨損小，同時(shí)瀝青路面韌性、抗壓性和拉伸性好，適應(yīng)不穩(wěn)定地基等，使瀝青混凝土路面在高等級(jí)公路路面建設(shè)中較多采用。隨著交通量的迅猛發(fā)展和超載現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，瀝青路面的破壞越來(lái)越嚴(yán)重，主要表包括開(kāi)裂、車(chē)轍、凹陷和松散等。其中路面開(kāi)裂是世界各國(guó)瀝青路面使用中均會(huì)遇到的主要病害之一，有交通荷載和溫度應(yīng)力引起的路面開(kāi)裂是瀝青路面早期破壞的主要形式之一，其分布十分普遍，無(wú)論冰凍地區(qū)，還是非冰凍地區(qū)，只是各自的開(kāi)裂嚴(yán)重程度不同而已。根據(jù)開(kāi)裂的原因，可以把瀝青路面裂縫分為荷載型裂縫和溫度型裂縫；從裂縫擴(kuò)展方向上可以分為傳統(tǒng)疲勞裂縫和反射裂縫。由于裂縫引起的路面病害已經(jīng)嚴(yán)重影響瀝青路面的使用性能，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展也破壞了原有路面的連續(xù)性和整體性，隨著表面雨水的侵入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層和土基的含水量加大，降低路面的強(qiáng)度，在大量行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，很快使路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，影響道路的使用壽命，同時(shí)也提高了瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修成本。

（二）有限單元法及其在瀝青路面中的應(yīng)用

在對(duì)瀝青路面裂縫的研究分析中，主要采用有限元數(shù)值分析分析方法，通過(guò)建立有限單元法是綜合現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論、計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的最新知識(shí)，發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)。有限單元法的基本思想是將問(wèn)題的求解域離散化，得到有限個(gè)單元，單元彼此之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。在單元內(nèi)假設(shè)近似解的模式，通過(guò)適當(dāng)方法，建立單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量與單元節(jié)點(diǎn)量之間的關(guān)系。采用有限元法解題基于以下幾個(gè)方面的假設(shè)：

1.結(jié)構(gòu)理想化：即把結(jié)構(gòu)物抽象為相當(dāng)?shù)牧W(xué)模型。

2.結(jié)構(gòu)離散化：即用假想的線把結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元，各單元僅在邊界上的節(jié)點(diǎn)相連接。

3.規(guī)定單元的位移模式，并用基本未知數(shù)---節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示，該位移模式能唯一的確定單元的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)，且能夠滿足結(jié)構(gòu)連續(xù)性條件。

4.荷載和約束處理：把作用在外界上的外荷載，按照靜力等效原則移置為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的力系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力與平衡情況，確定各邊界條件與對(duì)稱(chēng)條件。具體分析過(guò)程是將道路看作一個(gè)連續(xù)體或幾個(gè)連續(xù)體通過(guò)接觸面相連的整體(其中的每一層為連續(xù)體)。將這些連續(xù)體分割成有限個(gè)單元，并在每個(gè)單元上指定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，一般可以認(rèn)為相鄰單元在節(jié)點(diǎn)上連結(jié)構(gòu)成一組單元的集合體，用模擬或逼近求解區(qū)域進(jìn)行分析。同時(shí)，選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值(例如將節(jié)點(diǎn)位移)作為基本未知量；根據(jù)分塊近似的思想這，對(duì)每個(gè)單元假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，近似地表示其位移的分布規(guī)律；再利用彈塑性理論中的變分原理或其他方法,建立單元節(jié)點(diǎn)的力和位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的方程組,從而求解節(jié)點(diǎn)的位移分量。一經(jīng)解出,就可利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場(chǎng)函數(shù)。顯然，如果單元滿足問(wèn)題的收斂性要求，那么，隨著單元尺寸的縮小，求解區(qū)域內(nèi)單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷改進(jìn)，近似解最終將收斂于精確解。由于有限元法采用矩陣形式表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序,可以充分利用高速計(jì)算機(jī)所帶來(lái)的方便。目前，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件已達(dá)幾百種，其中著名的有：ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP等。

越來(lái)越多的研究者利用有限元軟件對(duì)瀝青路面的各種參數(shù)進(jìn)行分析，楊榮山和艾長(zhǎng)發(fā)以ANSYS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的柔性路面和半剛性路面進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，討論兩者的承載能力問(wèn)題，并分別對(duì)瀝青面層、基層及底基層的拉、壓應(yīng)力進(jìn)行了分析和討論；胡小弟等人采用ANSYS，分析了三維柔性基層和半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，在不同的車(chē)型荷載及其不同荷載分布情形下力學(xué)響應(yīng)的差異；陳靜等人針對(duì)結(jié)構(gòu)為瀝青混合料面層、粒料基層和土基的3層柔性路面體系，建立了路面在車(chē)輛動(dòng)載作用下的有限元分析模型，并應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)層狀路面在動(dòng)載作用下路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行三維有限元分析，結(jié)果表面，路面的疲勞破壞是動(dòng)載引起的水平應(yīng)力、橫向應(yīng)力和垂直應(yīng)力共同作用的結(jié)果，水平應(yīng)力的交變變化是使路面產(chǎn)生疲勞破壞的主要因素。王繼林等人利用ANSYS對(duì)舊水泥路面加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和定量分析評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)荷載位置、瀝青罩面層厚度和材料的模量變化進(jìn)行多次模擬后，總結(jié)出路面罩面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；符冠華等人利用ALGOR91，采用三維有限元靜力分析方法，計(jì)算分析了具有接縫的舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層在行車(chē)荷載和溫度變化作用下應(yīng)力的變化情況，從理論上深入研究了應(yīng)力吸收夾層和加筋?yuàn)A層在不同情況下防治反射裂縫的效果，提出了兩種夾層的模量推薦取值；周行春等以有限單元法為基礎(chǔ)，考慮平面8節(jié)點(diǎn)等參元分析了軟土地基容許工后不均勻沉降指標(biāo)對(duì)路面應(yīng)力響應(yīng)的影響，提出了軟基容許工后不均勻沉降指標(biāo)；岳福青等利用平面應(yīng)變有限單元法，探討了計(jì)算路基不均勻沉降和由此引起的路面附加應(yīng)力的計(jì)算方法，并將其運(yùn)用于路面加寬設(shè)計(jì)中。

（三）斷裂力學(xué)有限元法在瀝青路面結(jié)構(gòu)裂縫分析中的應(yīng)用

斷裂力學(xué)是研究含裂縫的構(gòu)件在各種環(huán)境下（包括荷載作用、溫度變化、濕度變化等）裂縫的平衡、擴(kuò)展和失穩(wěn)規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。按照他們?cè)诤奢d作用下擴(kuò)展形式的不同，可以分為3種基本類(lèi)型：張開(kāi)型( I型) 、剪切型裂縫(II型) 、撕開(kāi)型裂縫(III型)。在道路工程中，僅涉及到I型和II型裂縫。根據(jù)線彈性斷裂理論，I 型裂紋尖端區(qū)域的位移場(chǎng)可表示為：

同樣，對(duì)于II型裂紋，裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的形式也是恒定的，II型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子用KII表示，由斷裂力學(xué)解析解，可得II型裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)為：

王宏暢等研究人員采用斷裂力學(xué)理論，應(yīng)用大型商業(yè)通用有限元軟件ABAQUS對(duì)半剛性基層的底裂縫及表面裂縫產(chǎn)生的各影響因素進(jìn)行力學(xué)分析，為黃土地區(qū)及全國(guó)半剛性基層路面的設(shè)計(jì)和施工提供一定設(shè)計(jì)演算參考；黃均平和肖遠(yuǎn)見(jiàn)采用線彈性斷裂力學(xué)的方法，討論了權(quán)函數(shù)法確定路面應(yīng)力強(qiáng)度因子的準(zhǔn)確性問(wèn)題，并利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，將彎曲應(yīng)力和彎沉與Westergard理論解和CHEVRON計(jì)算程序模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得出了3種比較一致的結(jié)論，而CHEVRON計(jì)算程序所得結(jié)果與AASHO路面測(cè)試結(jié)果相一致，這也說(shuō)明權(quán)函數(shù)法計(jì)算路面應(yīng)力強(qiáng)度因子是準(zhǔn)確可靠的；周志剛等利用線彈性斷裂力學(xué)的平面有限元法模擬加筋材料的薄膜單元，對(duì)土工加筋材料阻止瀝青路面反射裂縫的橋聯(lián)增韌效應(yīng)進(jìn)行了分析；彭妙娟等人用有限元法對(duì)西安到三原一級(jí)公路模型在溫度和荷載共同作用下的應(yīng)力和裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算，估算了疲勞壽命，討論了西三線半剛性基層瀝青路面的開(kāi)裂機(jī)理；岳福青和楊春風(fēng)運(yùn)用ANSYS計(jì)算了半剛性基層瀝青路面溫縮反射裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并對(duì)影響其大小的各因素進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明：基層和面層的模量、溫縮系數(shù)增大會(huì)不同程度的導(dǎo)致裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的增大；而增加面層厚度能有效降低溫縮裂縫尖端強(qiáng)度因子。同時(shí)還研究了行車(chē)荷載與溫度荷載耦合作用下裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度特征，在這2種荷載共同作用時(shí)的裂縫擴(kuò)展為復(fù)合型擴(kuò)展。孫雅珍和趙穎華利用粘彈性與損傷的分析理論，應(yīng)用ANSYS提供的宏命令和FORTRAN編制的程序結(jié)合起來(lái)對(duì)含反射裂縫瀝青路面進(jìn)行了三維粘彈性有限元分析，模擬了裂縫的擴(kuò)展過(guò)程，得到了不同加載時(shí)間和不同變溫的裂縫擴(kuò)展情況；三種變溫條件下，對(duì)損傷區(qū)和斷裂區(qū)定量分析表明，當(dāng)氣溫低于-20℃時(shí)，路面劣化加劇。探討了不同初始裂縫長(zhǎng)度對(duì)路面劣化的影響，結(jié)果表明，初始裂縫長(zhǎng)度對(duì)路面劣化影響顯著；損傷因子和裂縫長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)相似，均可以用來(lái)評(píng)價(jià)路面的疲勞壽命。

（四）結(jié)束語(yǔ)

有限元軟件的出現(xiàn)為瀝青路面的力學(xué)分析提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，它避免了復(fù)雜的解析推導(dǎo)，可以很方便地模擬道路材料的各種非線性，考慮有限尺寸的路面結(jié)構(gòu)，考慮任意的輪載形式，彌補(bǔ)了多層彈性理論體系的不足，可以預(yù)見(jiàn)這些大型通用有限元軟件在未來(lái)路面計(jì)算中起到不可估量的作用；斷裂力學(xué)在道路工程中的應(yīng)用也得到了重視，將斷裂力學(xué)與有限元方法結(jié)合應(yīng)用于瀝青路面裂縫擴(kuò)展分析成為一種新思路，目前國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)嘗試從斷裂力學(xué)的角度對(duì)裂縫擴(kuò)展問(wèn)題進(jìn)行分析，從而采取相應(yīng)的防治瀝青路面裂縫措施用以指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程實(shí)際。

[1] 彭妙娟,張登良.半剛性基層瀝青路面的斷裂力學(xué)計(jì)算方法及應(yīng)用[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),1998,11.

[2] 洪花,樸雄偉,等.斷裂力學(xué)在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008.

[3] 范天佑.斷裂力學(xué)基礎(chǔ)[M].江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1978.

U416.2

A

1008-1151(2010)04-0090-02

2010-01-18

劉曉豐（1983－），男，湖南婁底人，中南大學(xué)土木建筑學(xué)院在讀碩士，研究方向?yàn)闉r青混凝土路面載裂縫有限元分析。