劉　濤

(貴州省天柱公路管理段，貴州　天柱　556600)

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瀝青混凝土公路界面裂隙研究

劉濤

(貴州省天柱公路管理段，貴州天柱556600)

劉濤(1977—)，工程師，研究方向：公路路基、路面。

摘要：為了減少瀝青公路界面裂隙發(fā)育對路面的整體破壞，文章利用斷裂力學(xué)理論結(jié)合二維ANSYS有限元模型，對瀝青混凝土公路界面裂隙進(jìn)行研究，結(jié)果表明：車輪荷載下裂隙表現(xiàn)出張拉型與剪切型同時作用的復(fù)合型擴(kuò)展模式；瀝青路面裂紋初始長度越大，其應(yīng)力強度因子初始值越大，而其擴(kuò)展相同距離的疲勞擴(kuò)展壽命變得越來越小。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；界面裂隙；ANSYS有限元；應(yīng)力強度因子；疲勞擴(kuò)展壽命

0引言

由于瀝青混凝土下層與其他結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)復(fù)雜多變，比較常見的是基層與面層間會出現(xiàn)完全缺失連續(xù)或局部的半連續(xù)狀態(tài)。路面整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分布主要受到基層和各層之間的裂隙影響，半剛性基層瀝青路面，基層與面層的交界處是最不利的位置，界面裂隙與瀝青路面常見病害息息相關(guān)。初期裂隙呈現(xiàn)的是微觀狀，在綜合因素作用下微觀狀裂隙會相互貫通，最終發(fā)展成為直觀的小裂縫。小裂縫在車輛荷載以及溫度變化的重復(fù)作用下產(chǎn)生剪應(yīng)力、拉應(yīng)力。繼而在剪應(yīng)力、拉應(yīng)力影響下，瀝青路面逐漸出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了瀝青路面的整體破壞。瀝青混凝土路面出現(xiàn)裂縫，應(yīng)及時進(jìn)行密封修補，否則雨水及其他雜物就會沿裂縫進(jìn)入面層結(jié)構(gòu)及路基，導(dǎo)致路面承載能力下降，加速路面局部或成片損壞[1]。因而研究瀝青公路界面裂隙是一個迫在眉睫的問題。

1斷裂力學(xué)理論

斷裂力學(xué)屬于傳統(tǒng)的固體力學(xué)發(fā)展出來的分支，斷裂力學(xué)研究方向是材料和工程結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。其中裂紋這一定義在斷裂力學(xué)中被定義為宏觀的、肉眼可見的裂紋。工程材料中的各種缺陷可近似地看作裂紋。斷裂力學(xué)是研究含裂紋構(gòu)件強度與壽命的一門固體力學(xué)的新分支，是結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計的理論基礎(chǔ)。斷裂力學(xué)的基本研究內(nèi)容包括：(1)裂紋的起裂條件；(2)裂紋在外部載荷和(或)其他因素作用下的擴(kuò)展過程；(3)裂紋擴(kuò)展到什么程度物體會發(fā)生斷裂。在疲勞裂紋的擴(kuò)展分析中引入斷裂力學(xué)原理可以估算裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，是斷裂力學(xué)研究的一個及其重要的內(nèi)容。

2瀝青路面斷裂分析數(shù)值模擬模型

假設(shè)瀝青路面的各個結(jié)構(gòu)層依照材料屬性劃分為四個層次，且四個層次均為均質(zhì)的、各向同性線彈性材料。稀漿封層與瀝青面層存在界面裂隙，四個結(jié)構(gòu)層層次不存在接觸狀況，而且也沒有發(fā)生滑移。瀝青基層底部受到限制，瀝青面層頂部為自由面，模型忽略自重影響，見表1。

表1　瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)表

依照表1瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立離散單元為二維實體單元的ANSYS有限元模型。模型底部為剛性約束，模型兩側(cè)限制X方向的位移，面層表面為自由面。其中瀝青路面結(jié)構(gòu)在豎直的荷載施加為0.7 MPa，X方向剪力選擇為0.175 MPa，瀝青路面結(jié)構(gòu)在水平和深度方都選擇3.5 m，從左到右施加X方向荷載[2]。

圖1　瀝青結(jié)構(gòu)面模型圖

鑒于裂隙發(fā)育的尖端具有較大的應(yīng)力與應(yīng)變，利用細(xì)化的網(wǎng)格劃分裂隙的尖端。在ANSYS有限元模型中，選擇單元PLANE183，裂隙尖端周圍的單元大小通過KSCON命令來實現(xiàn)。施加KSCON命令之后在選定的裂隙尖端會產(chǎn)生奇異單元。位于裂隙尖端的單元采取等腰三角形，沿裂隙的軸向其他單元，大致與裂隙長度方向平均成35°角，裂隙長度大致為裂隙尖端周圍第一圈單元的半徑長度的8倍，見圖2。

圖2　斷裂模型圖

3裂隙尖端應(yīng)力強度因子

裂紋頂端的應(yīng)力場強度可以用應(yīng)力強度因子K表示。裂紋出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)出現(xiàn)在材料的斷裂韌度KC小于應(yīng)力強度因子K時。有限元模型建立并劃分之后，將模型材料定義為均勻的各向同性材料，利用ANSYS有限元模型中的KCALC命令計算模型中裂隙尖端的應(yīng)力強度因子(K1，K2，K3)。裂縫在擴(kuò)展發(fā)育過程中的應(yīng)力強度變化規(guī)律，可以根據(jù)7種不同長度的裂隙在其切向和豎向荷載作用下，裂隙左右兩個尖端的應(yīng)力強度因子K的變化關(guān)系得知，例如裂隙長度為7.5 cm的應(yīng)力云圖(見圖3)。

(a)x向應(yīng)力云圖

(b)y向應(yīng)力云圖

(c)剪應(yīng)力云圖

(d)剪應(yīng)力云圖

(e)Y向位移云圖

(a)左尖端應(yīng)力強度因子K1

(b)左尖端應(yīng)力強度因子K2

(c)尖端應(yīng)力強度因子K1

(d)右尖端應(yīng)力強度因子KI2

由圖4可以看出，應(yīng)力強度因子K1的和K2變化關(guān)系呈線性，而K3為0。應(yīng)力強度因子K1隨著裂紋長度的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢，等長度裂紋長度下右尖端K1大于左尖端的K1。相反的是，應(yīng)力強度因子K2隨著裂紋長度的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢。由以上分析可知在車輪荷載的作用下稀漿封層上部的水平裂隙表現(xiàn)出張拉型與剪切型同時作用的復(fù)合型擴(kuò)展模式。

4界面裂隙疲勞擴(kuò)展分析

疲勞壽命是瀝青路面結(jié)構(gòu)分析中極其重要的部分。結(jié)構(gòu)的破壞過程可以按照斷裂力學(xué)理論分為裂紋的形成、擴(kuò)展與最后斷裂三個階段。裂紋的形成和擴(kuò)展兩部分為破壞的主要過程，裂紋失穩(wěn)之后可以迅速達(dá)到斷裂狀態(tài)，裂縫的擴(kuò)展壽命是最主要的過程。采用Paris公式可以得到裂紋較為準(zhǔn)確的擴(kuò)展壽命Nf[3]。

(1)

(2)

Nf=KMAX-KMIN

其中n、C均為模型中選用的材料參數(shù)，(da/dN)裂紋的擴(kuò)展速率。

Paris公式突破性思維在于將尋找裂紋的疲勞擴(kuò)展速率轉(zhuǎn)化為尋找尖端應(yīng)力強度因子的變幅。但是其局限性在于模型中選用的材料參數(shù)只是適用在一定范圍內(nèi)的ΔK。經(jīng)過后人的修正得到了廣義Paris公式，其中將n、C分別取為3和3.5×10-6，引入等效應(yīng)力強度因子Kε[4]，

(3)

Kε=K1+K2

(4)

(a)左端Kε變化規(guī)律

(b)右端Kε變化規(guī)律

根據(jù)Kε變化規(guī)律(見表2)，擬合不同裂隙長度下Kε[5]，將擬合方程代入式(3)積分，得到了裂紋擴(kuò)展壽命(見表3)。

表3　裂紋擴(kuò)展壽命表

由表3可知，瀝青路面裂紋初始長度越大，其應(yīng)力強度因子初始值就越大?？芍獮r青路面裂紋初始長度越大，其擴(kuò)展相同距離的疲勞擴(kuò)展壽命越來越小。由此可見瀝青路面裂紋初始長度在很大程度上影響裂隙的擴(kuò)展壽命。

5結(jié)語

(1)車輪荷載的作用下稀漿封層上部的水平裂隙表現(xiàn)出張拉型與剪切型同時作用的復(fù)合型擴(kuò)展模式。

(2)瀝青路面裂隙初始長度對裂隙的擴(kuò)展壽命影響巨大。瀝青路面裂紋初始長度越大，其應(yīng)力強度因子初始值就越大?？芍獮r青路面裂紋初始長度越大，其擴(kuò)展相同距離的疲勞擴(kuò)展壽命越來越小。

參考文獻(xiàn)

[1]易昕.三維有限元方法分析瀝青路面自上而下裂縫的擴(kuò)展[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.

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[4]鄭健龍，周志剛，張起森.瀝青路面抗裂設(shè)計理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5]劉振清，錢國超，劉清泉，等.設(shè)ATPB的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞特性分析[J].中國公路學(xué)報，2008，21(5)：15-18.

Research on Interface Cracks of Asphalt Concrete Highway

LIU Tao

(Guizhou Tianzhu Highway Management Section，Tianzhu，Guizhou，556600)

Abstract：In order to reduce the overall damage to the road surface caused by asphalt highway interface cracks，this article studied the interface cracks of asphalt concrete highway by using the fracture me-chanics theory combined with ANSYS two-dimensional finite element model，and the results showed that：the cracks under wheel loads show the composite expansion mode with the action of both tensile type and shearing type；the asphalt pavement cracks are longer at the beginning，its stress intensity factor has greater initial value，and its fatigue expansion life with the expansion of same distance be-comes smaller.

Keywords：Asphalt concrete；Interface cracks；ANSYS finite element；Stress intensity factor；Fatigue expansion life

收稿日期：2015-07-05

文章編號：1673-4874(2015)08-0040-04

中圖分類號：U418.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.010

作者簡介