吳貴賢

摘要：瀝青路面作為公路最常見的路面形式之一在我國大范圍使用，在半剛性基層路面中，裂縫的病害尤為普遍，由于車輛荷載的長期作用和氣候的交替變化，基層裂縫反射到面層，從而造成瀝青路面的破壞。因此研究瀝青路面反射性裂縫的形成及擴(kuò)展行為具有重要意義。本論述采用有限元軟件進(jìn)行分析，根據(jù)粘彈性斷裂理論分析溫度場作用下半剛性基層瀝青路面裂縫尖端的位移場和應(yīng)力場。分析計(jì)算結(jié)果表明：大氣溫度變化對半剛性基層瀝青路面內(nèi)部的溫度場影響是有限的，距路面距離越大，道路內(nèi)溫度變化越小;溫度越高，裂縫尖端應(yīng)力數(shù)值越小，溫度越低，裂縫尖端應(yīng)力的數(shù)值越大。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;裂縫;溫度場;裂縫尖端應(yīng)力

中圖分類號：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，城市與農(nóng)村各等級公路公路里程大幅增長，而我國各等級道路中瀝青路面占90%以上，半剛性基層路面在瀝青道路中廣泛使用，在道路服務(wù)期限內(nèi)由于車輛荷載和氣候溫度的變化，半剛性基層裂縫隨之向上擴(kuò)展，并貫穿瀝青面層，產(chǎn)生嚴(yán)重的反射型裂縫問題。開展半剛性基層瀝青路面反射性裂縫的形成原因及擴(kuò)展機(jī)理的研究，對提高路面早期裂縫防治和完善瀝青路面設(shè)計(jì)計(jì)算是十分有必要的。早期研究者們對路面存在的早期破壞及防治技術(shù)、裂縫的形成機(jī)理都進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研究擴(kuò)展機(jī)理。但是這些文獻(xiàn)中都未考慮24h溫度連續(xù)變化作用下的裂縫開展機(jī)理，與路面受力形式及機(jī)理的實(shí)際情況是不相符的。因此，本論述采用粘彈性力學(xué)有關(guān)理論對帶有裂縫的半剛性基層路面進(jìn)行有限元分析，考慮氣候變化時(shí)溫度場荷載作用下裂縫的發(fā)展規(guī)律及應(yīng)力強(qiáng)度變化，為瀝青路面設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1溫度應(yīng)力計(jì)算

半剛性瀝青路面作為典型的層狀結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)將典型的層狀體系理論計(jì)算問題簡化為二維平面問題。

計(jì)算時(shí)假設(shè)彈性體內(nèi)各點(diǎn)的變溫上升為正，下降為負(fù)。則根據(jù)粘彈性理論溫度應(yīng)變可表示為：

應(yīng)變位移由于受到周圍體系的相對約束而不能自由移動(dòng)，與此同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，根據(jù)相關(guān)資料這種應(yīng)力的形成與溫度有著密切的聯(lián)系，根據(jù)Hook定律及瀝青路面邊界條件，可得溫度應(yīng)力表達(dá)式：

2瀝青混合料粘彈性試驗(yàn)及參數(shù)擬合

根據(jù)粘彈性斷裂理論，瀝青混合料的粘彈性可以用力學(xué)模型法和蠕變?nèi)崃縼肀硎尽８鶕?jù)Maxwell模型，瀝青混合料松弛模量可表示為：

3溫度場應(yīng)力分析

采用二維進(jìn)行有限元建模（如圖2、圖3所示），由于研究的反射性裂縫尖端具有奇異性，單元?jiǎng)澐謺r(shí)裂縫尖端較密，氣溫以典型低溫季節(jié)為例，見表2、表3、表4所列。

4計(jì)算結(jié)果及分析

通過上述結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)采用有限元進(jìn)行分析，道路內(nèi)部溫度隨時(shí)問及距路表距離的變化曲線如圖4所示，從圖中曲線的變化可以看出，同一時(shí)刻道路體系內(nèi)各層問的溫度是不同的，即道路各層內(nèi)的起始溫度是不同的，隨著24h內(nèi)氣溫的變化，道路體系內(nèi)各層溫度隨時(shí)問變化大致相同，但距路表越淺溫度變化越敏感，氣溫變化對深層內(nèi)部溫度影響較小?？梢缘贸?，氣溫變化對道路體系內(nèi)部的溫度是有影響的，但影響相對較小;距路表深度越大影響越小，這主要是由于距離路表一定范圍內(nèi)路床內(nèi)部溫度傳導(dǎo)起主要作用。

通過有限元分析半剛性基層反射性裂縫尖端正應(yīng)力σx和剪應(yīng)力Txy隨時(shí)間變化曲線如圖5、圖6所示：

從圖5、圖6得出，半剛性基層反射性裂縫尖端正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小均與外界溫度變化有關(guān)：凌晨0時(shí)至8時(shí)，曲線變化較平緩，裂縫尖端正應(yīng)力強(qiáng)度值最大，變化幅度較小，由此可以得出裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度的大小與溫度成反比，溫度越低應(yīng)力強(qiáng)度越大。

8時(shí)至17時(shí)，隨著時(shí)間推移裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度逐漸降低，最低點(diǎn)出現(xiàn)在17時(shí)，但此時(shí)并非是大氣溫度最高點(diǎn)，這是由于大氣溫度變化并非立刻引起道路體系內(nèi)部溫度變化，兩者之間存在滯后現(xiàn)象導(dǎo)致。

17時(shí)至O時(shí)，大氣溫度開始下降，裂縫尖端應(yīng)力逐漸上升。因此通過裂縫尖端正應(yīng)力的變化曲線可以得出，裂縫尖端正應(yīng)力變化與外界溫度變化相反，溫度越高，裂縫尖端應(yīng)力的數(shù)值越小，溫度越低，應(yīng)力的數(shù)值越大。大氣溫度從-14.5℃上升至-3.8℃，上升幅度9.7℃，反射性裂縫尖端正應(yīng)力從5.6MPa下降至4.4MPa，降低幅度20.2%。

根據(jù)剪應(yīng)力變化圖，溫度變化對剪應(yīng)力也有一定的影響，但剪應(yīng)力數(shù)值相對較小，對裂縫的擴(kuò)展影響較小，24h內(nèi)剪應(yīng)力變化0.2MPa。

5結(jié)論

通過對瀝青路面溫度場對基層反射性裂縫的分析得出以下結(jié)論。

（1）外界溫度變化對瀝青路面體系內(nèi)部的溫度的場影響較小，溫度影響與距路表距離成反比，即距離越小，溫度影響越敏感，隨距路表距離的增加，路床內(nèi)部溫度起主要傳導(dǎo)作用。

（2）在0時(shí)至8時(shí)，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度處于最大值，隨著氣溫的升高應(yīng)力強(qiáng)度逐漸降低，氣溫最高時(shí)刻的裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度并未達(dá)到最低點(diǎn)，而是處于滯后狀態(tài)。總之，溫度越高，裂縫尖端應(yīng)力的數(shù)值越小，溫度越低，應(yīng)力的數(shù)值越大，當(dāng)溫度上升或下降幅度相同時(shí)，溫度下降對基層反射性裂縫的影響較大。

（3）路面設(shè)計(jì)時(shí)因根據(jù)項(xiàng)目所處區(qū)域氣候變化調(diào)整瀝青路面的結(jié)構(gòu)層厚度，進(jìn)而使基層反射性裂縫的病害降到最低。