錢勁松， 陳欣然， 鄭 毅， 付 偉

(1. 同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804; 2. 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 北京 100088;3. 中交第二公路勘察設(shè)計研究有限公司， 湖北 武漢 430056)

半剛性基層瀝青路面的反射裂縫防治(后文簡稱防反)問題一直是困擾工程界的一大難題.在瀝青面層和水穩(wěn)基層層間鋪設(shè)土工布是一種經(jīng)濟而實用的防治方法[1].造成反射裂縫的原因主要為車輛荷載和溫度變化[2-3]，車輛荷載對瀝青層造成彎拉和剪切作用，而溫度變化主要引起張拉作用.根據(jù)國內(nèi)外研究的結(jié)論，土工布對于防治張拉型反射裂縫效果良好[4-5]，但對于防治剪切型反射裂縫的效果，研究者們尚未達成共識[6-7].胡長順[6]通過足尺疲勞試驗，認(rèn)為土工布雖然無法阻止剪切型反射裂縫的產(chǎn)生，但可延緩其擴展；李淑明[7]通過有限元模擬分析，認(rèn)為鋪設(shè)土工布并未降低瀝青層最大剪應(yīng)力，因此對延緩剪切型反射裂縫作用不大.

國內(nèi)外對土工布防反問題的試驗研究中，模擬車輛荷載的占大多數(shù).這些研究通常采用固定點豎向加載單獨模擬車輛荷載的彎拉或剪切作用[8-10]，或采用車輪在較短的距離往復(fù)滾動加載模擬移動荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響[11].然而，這兩種加載方式相對于道路的實際情況均存在不足之處.前者無法同時模擬車輪滾動引起的彎拉-剪切作用，后者在加載距離上受到小型加載儀器限制，且往復(fù)加載模式與實際道路中車輛單向行駛不一致.南非開發(fā)的MMLS3(1/3 model mobile load simulator)加速加載設(shè)備[12]使用單方向的滾動車輪模擬車輛荷載彎拉-剪切共同作用，加載長度為130cm，可避免上述兩種方法的不足之處，并可模擬車輛荷載重復(fù)作用下水平力對路面的推移作用及車轍的產(chǎn)生過程.Pirmohammad[13]指出，彎拉-剪切共同作用將顯著加速路面的開裂，故研究土工布在此情況下的抗裂效果更具實際意義.

為此，本文使用MMLS3進行室內(nèi)疲勞試驗，模擬單向移動荷載的重復(fù)作用，以研究車輛荷載彎拉、剪切共同作用下土工布防治反射裂縫的效果，并對使用MMLS3研究反射裂縫問題的可行性和有效性進行判定.

1 試驗方法

1.1 路面結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

試驗結(jié)構(gòu)模型基于拉薩至工布江達段高速公路實際情況進行設(shè)計，其路面結(jié)構(gòu)組合如表1所示.MMLS3試驗輪胎的直徑為300 mm、寬度為80 mm，約為標(biāo)準(zhǔn)輪胎尺寸的1/3.其最大輪壓為2.7 MPa，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100的1/9.蘇志翔[14]通過理論分析和有限元模擬指出，為保證試驗?zāi)Ｐ团c實際路面具有相似的材料和力學(xué)性能，必須保持試驗?zāi)Ｐ偷牟牧吓c實際相同，且厚度縮放為實際路面結(jié)構(gòu)的1/3.在這一縮放比例下，試驗?zāi)Ｐ驮谧畲筝唹鹤饔孟旅鎸訉拥桌瓚?yīng)力、拉應(yīng)變與實際路面在標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100作用下的對應(yīng)值相同.

為使縮減厚度后的結(jié)構(gòu)模型容易制作，將原道路上、中、下面層合為一個結(jié)構(gòu)層考慮，參照實際道路選用90號基質(zhì)瀝青，油石比4%.級配依照下面層選擇AC25.瀝青面層平面尺寸的確定需考慮MMLS3實際加載區(qū)域大小、裂縫觀測和傳感器布設(shè)的需求，基層則需要考慮與試槽固定的需要以及面層施工的便利性.為允許基層在加載過程中的豎向位移和錯動，以模擬車輛荷載彎拉-剪切作用下路面結(jié)構(gòu)的變形，在路面結(jié)構(gòu)下方設(shè)置土基，尺寸與試槽一致.各結(jié)構(gòu)層尺寸見表1及圖1.

表1 原路面及試驗?zāi)Ｐ统叽?/p>

a 平面圖

b 立面圖

試驗土工布為聚丙烯無紡布 (150 g·m-2).在浸潤乳化瀝青后，進行寬條拉伸試驗，測得其縱向拉伸性能見表2.

為使裂縫在指定位置開裂以便觀測和數(shù)據(jù)采集，對基層進行預(yù)鋸縫處理.有布組和無布組各設(shè)置一條預(yù)制裂縫，寬度按國內(nèi)外研究經(jīng)驗[8-10]取0.5 cm，切割后3塊基層長度為50 cm、80 cm和50 cm.

表2 土工布力學(xué)性能

為觀測裂縫處拉應(yīng)變，在面層內(nèi)靠近層底位置跨縫埋設(shè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，有布組和無布組各一個，方向垂直于預(yù)制裂縫，如圖1a所示.傳感器測量值與面層層底應(yīng)變的關(guān)系如圖2所示.面層開裂前，傳感器測量值S1與瀝青層自身應(yīng)變量E1相等，面層開裂后，傳感器測量值S2為瀝青層自身應(yīng)變E2與反射裂縫在該位置的張開寬度△S之和.出于反射裂縫發(fā)展各階段對比分析的便利性，后文對面層開裂前后的傳感器測量值統(tǒng)稱為總應(yīng)變.

1.2 路面結(jié)構(gòu)模型制作與加載

依次制作土基和基層并養(yǎng)生完成后，在基層上鋸切預(yù)制裂縫.對預(yù)制裂縫和基層四周進行臨時約束，以免施工過程中發(fā)生位移.基層布置完成后，對有布組，在基層頂面灑布1.4 kg·m-2的乳化瀝青，在其上方鋪設(shè)土工布，再在土工布表面灑布1.2 kg·m-2乳化瀝青黏層油和石屑.對無布組，直接灑布1.4 kg·m-2的乳化瀝青.在攤鋪瀝青面層同時埋設(shè)傳感器，攤鋪完成后用小型壓路機壓實.

面層養(yǎng)生后，脫模并撤去基層臨時約束，將MMLS3架設(shè)在路面結(jié)構(gòu)模型上.將支架與試槽固定并調(diào)平儀器后，調(diào)節(jié)儀器高度以使加載車輪的輪壓達到預(yù)設(shè)值.在裂縫上方的面層側(cè)面涂抹石灰，以便肉眼觀察裂縫開展情況.架設(shè)完成后如圖1b所示.

啟動MMLS3開始加載，通過傳動裝置使裝有4個車輪的環(huán)形軌道轉(zhuǎn)動，從而對試驗?zāi)Ｐ瓦M行單向等間隔的加載，加載速度為3 600次·h-1(1Hz).其模擬車輛荷載彎拉-剪切作用的原理如圖3所示.當(dāng)車輪位于預(yù)鋸縫一側(cè)時，對路面結(jié)構(gòu)施加剪切作用，當(dāng)車輪位于預(yù)鋸縫正上方時，施加彎拉作用.車輪駛過預(yù)鋸縫后，再次施加剪切作用.

圖3 車輛荷載彎拉-剪切作用示意

試驗共進行了54萬次加載，其中前33萬次為不間斷加載，期間兩試驗組反射裂縫均貫穿面層.在此之后，由于面層產(chǎn)生了較明顯的車轍，導(dǎo)致MMLS3加載車輪對路面結(jié)構(gòu)的壓力降低，因此，調(diào)低加載車輪，觀察裂縫形態(tài)的進一步變化.加載至54萬次時，裂縫形態(tài)已趨于穩(wěn)定，試驗結(jié)束.試驗全過程中拍照記錄面層側(cè)面裂縫發(fā)展?fàn)顩r.

2 面層層底應(yīng)變分析

加載33萬次之后，傳感器因經(jīng)歷大量重復(fù)加載而損壞，故僅對前33萬次加載的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析.

傳感器記錄的面層層底總應(yīng)變?nèi)鐖D4所示.圖中黑色圓點為反射裂縫初裂及貫穿面層時對應(yīng)的總應(yīng)變.計算每次加載產(chǎn)生的應(yīng)變波形內(nèi)波峰波谷的差值，即彈性應(yīng)變，繪制如圖5，考察重復(fù)加載過程中面層層底應(yīng)變的波動情況.反射裂縫初裂及貫穿所對應(yīng)的加載次數(shù)由肉眼觀測和應(yīng)變數(shù)據(jù)共同判斷.根據(jù)反射裂縫的發(fā)展階段，具體分析如下.

2.1 面層開裂前

面層開裂前，兩試驗組的總應(yīng)變和彈性應(yīng)變均隨加載過程逐漸增加，有布組的總應(yīng)變和彈性應(yīng)變均大于無布組.這是由于此階段結(jié)構(gòu)變形較小，土工布尚未產(chǎn)生足夠的拉伸變形以協(xié)助面層承受拉力，而鋪設(shè)土工布將削弱面層與基層的層間黏結(jié)[15-16]，導(dǎo)致總應(yīng)變、彈性應(yīng)變均較大.

2.2 面層初裂

無布組和有布組依次在加載0.9萬次和3.2萬次時出現(xiàn)開裂，如圖4a和5a所示.有布組在面層初裂時的加載次數(shù)為無布組3.55倍，且初裂時的總應(yīng)變和彈性應(yīng)變均大于無布組.

根據(jù)劉燕燕[17]、張海偉[18]的研究，在基層和面層間鋪設(shè)抗裂夾層后的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更大的斷裂能.本試驗在外荷載相同的情況下，有布組初裂時的總應(yīng)變大于無布組，則對應(yīng)的斷裂能也更大.因此，鋪設(shè)土工布雖然會增加瀝青層底拉應(yīng)變，但仍可起到延緩面層開裂的作用.

2.3 反射裂縫擴展

反射裂縫初裂后，兩試驗組總應(yīng)變增長速度均高于初裂前，其中無布組較有布組增速更快，總應(yīng)變超過有布組并逐漸拉大差距.這是由于無布組在開裂后結(jié)構(gòu)整體強度逐漸下降，每次加載之下的變形和裂縫擴展越來越大；而有布組在面層層底出現(xiàn)裂縫后，土工布通過自身拉伸變形協(xié)助面層受力的作用逐漸得以體現(xiàn)[19]，使得變形量增速較無布組有所減小，延緩了裂縫的擴展.

兩試驗組的彈性應(yīng)變自開裂之后均經(jīng)歷了先減小后增大的過程，區(qū)別在于無布組稍有減小后很快增大并超過開裂時的彈性應(yīng)變值，而有布組下降后長時間維持在較低水平，直到反射裂縫接近貫穿時才重新開始增大，且始終小于初裂時的對應(yīng)值. Sangpetgnam[20]指出，裂縫的擴展是應(yīng)變能逐漸積累的過程，應(yīng)變能隨著重復(fù)加載累計至某閾值時，裂縫即擴展一定長度，并在新的裂縫尖端再次隨加載累計能量.因此，試驗過程中彈性應(yīng)變會隨裂縫擴展出現(xiàn)數(shù)次波動.

a 加載前5萬次

b 加載全程

a 加載前5萬次

b 加載全程

反射裂縫在面層內(nèi)擴展時的結(jié)構(gòu)受力狀況可分為以下幾個階段：反射裂縫剛剛初裂時如圖6a所示，由于面層底面不再連續(xù)，裂縫兩側(cè)瀝青層受力減小，因而其彈性變形量L1和L3減小；而反射裂縫剛剛開裂，裂縫寬度L2很小，在荷載作用下的開合不明顯.因此，初裂后兩試驗組彈性應(yīng)變均減小.

隨著裂縫的繼續(xù)擴展，無布組和有布組的應(yīng)力傳遞范圍如圖6b和圖6c所示，由于無布組僅由裂縫尖端區(qū)域受力，剪切效應(yīng)造成的裂縫兩側(cè)豎向錯動越來越大[6]，因而彈性應(yīng)變很快增大并超過初裂時的對應(yīng)值.有布組除裂縫尖端受力外，土工布仍保持著裂縫兩側(cè)面層底面的聯(lián)結(jié)，將應(yīng)力傳遞到兩側(cè)的面層，并抑制剪切作用造成的錯動.此外，由表2可知，土工布拉伸變形越大，可承受的拉力就越大，因而對錯動的抑制作用越來越強，使得有布組彈性應(yīng)變持續(xù)減小.

a 初裂時面層層底變形b 裂縫擴展時無布組受力

c 裂縫擴展時有布組受力d 有布組裂縫接近貫穿時

在反射裂縫接近貫穿面層時，有布組的受力情況如圖6d所示，裂縫上方的面層未開裂區(qū)域逐漸減小而形成薄弱區(qū)，因而對車輛荷載剪切效應(yīng)下豎向錯動的抵抗能力變?nèi)?，使得有布組的彈性應(yīng)變再次增大.

2.4 裂縫貫穿

無布組和有布組的反射裂縫依次在加載6萬次和19.5萬次時貫穿面層，有布組在反射裂縫貫穿時的加載次數(shù)為無布組的3.25倍，如圖4b和圖5b所示.裂縫貫穿時，兩試驗組的總應(yīng)變值基本相當(dāng)，均為200×10-6左右.有布組的彈性應(yīng)變?yōu)?1×10-6，仍大于無布組的8×10-6.此時，兩試驗組的總應(yīng)變和彈性應(yīng)變均達到峰值.

分析可知，土工布通過協(xié)助面層受拉，顯著延緩了反射裂縫的貫穿.總應(yīng)變值相當(dāng)，說明兩試驗組的裂縫貫穿時，在面層層底位置的裂縫張開寬度相近.有布組彈性應(yīng)變?nèi)暂^大的原因與開裂階段相同.

2.5 裂縫貫穿后

反射裂縫貫穿后，兩試驗組的總應(yīng)變和彈性應(yīng)變均經(jīng)歷了一段減小期.在此之后，無布組總應(yīng)變和彈性應(yīng)變開始繼續(xù)增長，超過600×10-6和8×10-6且無收斂趨勢；而有布組的總應(yīng)變和彈性應(yīng)變基本穩(wěn)定在180×10-6與9×10-6.

兩試驗組總應(yīng)變、彈性應(yīng)變減小的原因主要有以下兩點：① 反射裂縫貫穿后，裂縫兩側(cè)的面層相互分離，傳感器位置幾乎不受彎拉作用，僅存在剪切作用；② 隨著加載的進行，瀝青層車轍逐漸加深，使得外荷載較裂縫貫穿之前有所減小.

繼續(xù)加載之下，無布組由于裂縫兩側(cè)的面層已經(jīng)分離，在車輛荷載剪切作用下的豎向錯動和水平力作用下的縱向推移越來越強，裂縫寬度進一步增加，因而總應(yīng)變和彈性應(yīng)變均增大.由表2可知，土工布可承受較大的拉伸變形.試驗中土工布在裂縫貫穿后的伸長率遠小于其最大負(fù)荷下的伸長率，因而有布組裂縫兩側(cè)的面層仍由土工布維持聯(lián)結(jié)，并承受車輛荷載造成的彎拉和剪切作用，使總應(yīng)變和彈性應(yīng)變趨于穩(wěn)定.

3 裂縫開展?fàn)顩r分析

圖7為反射裂縫在瀝青面層內(nèi)豎向擴展長度對比圖.由圖可見，裂縫豎向擴展長度隨加載次數(shù)不斷增長，但其擴展速度存在與應(yīng)變類似的波動.與無布組相比，土工布顯著延緩了裂縫豎向擴展速度，且其效果隨裂縫擴展長度的增加而愈加明顯.

圖7 裂縫豎向擴展長度對比

圖8和圖9分別為無布組、有布組在加載不同階段的裂縫開展?fàn)顩r圖，其中反射裂縫用白色標(biāo)出.由于兩試驗組的裂縫在貫穿面層前寬度均較小，且隨加載過程變化不大，因此從兩試驗組裂縫貫穿后開始分析.

可以看出，反射裂縫貫穿面層時(圖8a、圖9a)，有布組和無布組的裂縫寬度均較小.當(dāng)加載繼續(xù)進行至33萬次時(圖8b、9b)，無布組裂縫寬度顯著增大，且在主裂縫加寬同時，裂縫上部產(chǎn)生多條較細(xì)的裂縫，在不同位置延伸到面層頂面，面層側(cè)面呈龜裂傾向，面層頂面也因裂縫的擴展和裂縫兩側(cè)路面結(jié)構(gòu)的豎向錯動帶來的剪切效應(yīng)變得不再水平.與之相比，有布組裂縫寬度變化較小，面層側(cè)面仍具有較好的整體性；除一條主裂縫外，其他位置微裂縫很少.繼續(xù)加載至54萬次時(圖8c、圖9c)，無布組裂縫寬度增長較大，面層幾乎完全斷開；而有布組裂縫寬度及面層整體性較加載33萬次時均變化不大.

a 6萬次

b 33萬次

c 54萬次

a 19.5萬次

b 33萬次

c 54萬次

從裂縫寬度的變化可以看出，由于土工布仍保持著兩側(cè)結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)，對裂縫的橫向擴展起到了顯著的抑制作用，使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“裂而不斷”的狀態(tài)，有利于延長路面結(jié)構(gòu)的使用壽命.而無布組則會因為裂縫貫穿后面層兩側(cè)分離，導(dǎo)致裂縫在車輛荷載造成的剪切錯動和水平推移作用下逐漸加寬，加速路面結(jié)構(gòu)的破壞.

4 結(jié) 論

運用MMLS3設(shè)備對路面結(jié)構(gòu)模型進行了加速加載試驗，對比了有無土工布路面結(jié)構(gòu)的抗裂性能，得到以下結(jié)論：

(1) 運用MMLS3設(shè)備進行加速加載試驗可以較為全面的模擬實際路面車輛荷載造成的彎拉-剪切復(fù)合作用，以及重復(fù)加載過程中的水平推移作用和車轍形成過程，并可研究土工布在此情況下防治反射裂縫的效果.

(2) 鋪設(shè)土工布可以顯著延緩張拉-剪切復(fù)合型反射裂縫的初裂和貫穿.試驗中，有布組在反射裂縫初裂時的加載次數(shù)為無布組3.55倍，在反射裂縫貫穿時的加載次數(shù)為無布組的3.25倍.

(3) 在加載初期，有布組面層層底總應(yīng)變大于無布組.土工布隨結(jié)構(gòu)發(fā)生一定拉伸變形后，其協(xié)助面層受力的作用逐漸得以發(fā)揮，使有布組總應(yīng)變增長速度變慢，總應(yīng)變逐漸小于無布組對應(yīng)值.在反射裂縫貫穿面層后，有布組的總應(yīng)變穩(wěn)定于180×10-6，而無布組總應(yīng)變將繼續(xù)增大，超過600×10-6且無收斂趨勢.

(4) 由于土工布對層間粘結(jié)的削弱，有布組彈性應(yīng)變始終大于無布組.但隨著土工布拉伸變形的增大，對車輛荷載彎拉和剪切作用的抑制逐漸增強，使得有布組彈性應(yīng)變有所減小并在反射裂縫貫穿后穩(wěn)定于9×10-6.無布組的彈性應(yīng)變由于逐漸增強的剪切和水平力作用，在裂縫貫穿后持續(xù)增大，超過8×10-6且無收斂趨勢.

(5) 土工布在加載不同階段具有不同的作用：在面層開裂前，通過提高與瀝青層結(jié)合后的復(fù)合斷裂能，延緩面層開裂；在反射裂縫擴展過程中，通過自身受拉以提高可承受的拉伸力，協(xié)助面層抵抗外力作用，延緩裂縫擴展；在裂縫貫穿后，依靠較大的容許伸長率，仍然保持著裂縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)，抑制裂縫的繼續(xù)加寬和結(jié)構(gòu)錯動，延緩路面結(jié)構(gòu)的進一步損壞.