趙鴻鐸,夏 昶,付夕原,趙舉飛,馬魯寬
(1.同濟大學(xué)a.道路與交通工程教育部重點實驗室;b.民航飛行區(qū)設(shè)施耐久與運行安全重點實驗室,上海 201804;2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,武漢 430010)
隨著裝配式路面技術(shù)的發(fā)展,裝配式復(fù)合路面成為瀝青路面修復(fù)的主要結(jié)構(gòu)形式之一[1]。但在車輛沖擊荷載和自然環(huán)境的綜合作用下,裝配式復(fù)合路面接縫變形過大會導(dǎo)致瀝青加鋪層層底產(chǎn)生應(yīng)力集中,進而產(chǎn)生反射裂縫,影響路面使用壽命[2-4]。因此,探究復(fù)合路面的接縫性能與反射裂縫的形成關(guān)系,對裝配式復(fù)合路面反射裂縫的抑制和防治具有重要意義。
復(fù)合路面接縫性能指標(biāo)主要包括接縫處的豎向彎沉和接縫寬度[5]。對于接縫處的豎向彎沉指標(biāo),美國瀝青協(xié)會(The Asphalt Institute)通過經(jīng)驗設(shè)計法對接縫處的平均彎沉和彎沉差做出了相應(yīng)規(guī)定[6]。周志剛[7]應(yīng)用疲勞損傷力學(xué)理論與方法,計算出了舊水泥混凝土路面瀝青層結(jié)構(gòu)疲勞壽命與彎沉差、接縫撓度傳荷系數(shù)及平均彎沉的關(guān)系曲線拐點位置。單景松等[8]利用接縫彈簧剛度建立舊水泥混凝土路面接縫模型,發(fā)現(xiàn)當(dāng)接縫處相鄰板彎沉差處于較低水平時,可通過控制彎沉差來延緩反射裂縫的擴展。對于接縫寬度指標(biāo),現(xiàn)有研究多依賴于數(shù)值模擬。焦一等[9]發(fā)現(xiàn)隨著瀝青層厚度的增加和基層裂縫寬度的減少,最不利位置的最大剪應(yīng)力明顯下降。張偉等[10]基于彈性斷裂力學(xué)理論進行研究,發(fā)現(xiàn)在不設(shè)傳力桿的對稱荷載作用下,基層裂縫寬度對道面應(yīng)力影響較小,在非對稱荷載作用下基層裂縫寬度對道面應(yīng)力影響較大;在兩種荷載條件下,傳力桿的設(shè)置均可削弱機輪荷載對機場道面結(jié)構(gòu)的損壞,且裂縫寬度越小,傳力桿作用越大。劉柏康等[11]發(fā)現(xiàn)瀝青加鋪層的抗反射裂縫能力隨著裂縫寬度增加而減小。
現(xiàn)有研究對于豎向彎沉的規(guī)定多依賴于經(jīng)驗,而相應(yīng)的理論研究缺乏對結(jié)構(gòu)等因素的考慮;對于接縫寬度的研究較少考慮接縫寬度與瀝青層底應(yīng)力的定量關(guān)系,難以從理論角度分析控制接縫寬度指標(biāo)來抑制反射裂縫的機理。為此,本文圍繞裝配式復(fù)合路面接縫性能,選定接縫處相鄰板彎沉差和接縫寬度作為控制指標(biāo),基于彈性地基梁理論和疲勞損傷分析,對接縫性能開展研究,以達到抑制裝配式復(fù)合路面瀝青加鋪層反射裂縫的目的。研究成果可有效指導(dǎo)裝配式復(fù)合路面接縫設(shè)置。
裝配式復(fù)合路面一般結(jié)構(gòu)形式[12]如圖1 所示。
圖1 裝配式復(fù)合路面一般結(jié)構(gòu)形式Fig.1 General form of precast composite pavement structure
裝配式復(fù)合路面的反射裂縫按照形成機理可以分為溫度型和荷載型兩種。對于溫度型反射裂縫,可以通過改進瀝青層材料、增設(shè)防反措施及加強層間粘結(jié)等方法進行防治;荷載型反射裂縫則更多通過控制接縫性能進行防治[13-14]。因此,本文從抑制荷載型反射裂縫的目的出發(fā),開展接縫性能的研究。
汽車荷載經(jīng)過接縫前后可以分為3 個階段:①汽車荷載經(jīng)過接縫一側(cè),裝配式路面板產(chǎn)生相對位移,加鋪瀝青層產(chǎn)生剪切應(yīng)力;②汽車荷載經(jīng)過接縫上部,加鋪瀝青層層底受彎拉應(yīng)力作用;③汽車荷載經(jīng)過接縫另一側(cè),加鋪瀝青層產(chǎn)生與駛?cè)霑r相反的剪切應(yīng)力。3 個階段循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致了接縫處荷載型反射裂縫的產(chǎn)生和擴展。
由上述分析可知,當(dāng)荷載作用于接縫一側(cè)時,若裝配式復(fù)合路面接縫處相鄰板變形一致,板塊將近似于整體受力,可有效控制瀝青層層底剪切應(yīng)力;當(dāng)荷載作用于接縫中部時,減小接縫寬度有助于降低瀝青層層底彎拉應(yīng)力。因此,本文選擇裝配式復(fù)合路面接縫處相鄰板彎沉差Δδ 和接縫寬度s 作為接縫性能表征指標(biāo),分別考慮接縫處瀝青加鋪層的剪切應(yīng)力和彎拉應(yīng)力,進而抑制荷載型反射裂縫的產(chǎn)生和擴展。其中,相鄰板彎沉差的計算方法為
式中:δL為受荷板接縫處彎沉(μm);δU為未受荷板接縫處彎沉(μm)。
在瀝青加鋪層剪切應(yīng)力求解時,裝配式路面板(混凝土板)與瀝青加鋪層假定為結(jié)合式雙層板,接縫采用彈簧模擬,并用剪切彈簧剛度量化其性能?;趶椥缘鼗豪碚?,簡化后的模型如圖2 所示。
圖2 偏荷載作用下的彈性地基梁模型Fig.2 Beam on elastic foundation model under eccentric load
圖2 中:點O 表示荷載作用的左邊界;點A 表示荷載作用的右邊界;荷載作用長度為d;h 為等效單層板厚度,h=ha+hc,ha為瀝青層厚度,hc為混凝土板厚度;ks為考慮接縫寬度和傳力桿影響的剪切彈簧剛度;kn為考慮接縫處瀝青層和防反層影響的剪切彈簧剛度。
將瀝青加鋪層和裝配式路面板等效為單層板,等效彎曲剛度D[8]可表示為
式中:μ 為等效單層板的泊松比;Ec和Ea分別為裝配式水泥混凝土板及瀝青層的模量;h0為等效單層板中性軸至瀝青層表面的距離。
2.1.1 基本模型
根據(jù)Winkler 地基模型,基本求解方程可表示為
式中:dx 為x 方向上梁的微分單元;dw 為梁撓度的微分單元;p(x)為偏荷載分布集度;k 為地基反應(yīng)模量;w(x)為梁段x 位置處的撓度。
該微分方程的齊次通解[15]可表示為
式中:wOA、w-∞~O和wA~+∞分別為OA 段、-∞~O 段和A~+∞段梁的撓度為梁的柔度指標(biāo);Ai(i=1,2,3,4)為OA 段待定系數(shù);Bi(i=1,2,3,4)為-∞~O段待定系數(shù);Ci(i=1,2,3,4)為A~+∞段待定系數(shù)。
在OA 段時,梁上有長度為d 的行車荷載作用,因此其任一點撓度還應(yīng)加上行車荷載p 產(chǎn)生的撓度p/k,其余梁段解的形式皆同式(5)。
2.1.2 邊界條件求解待定系數(shù)
在無窮遠處,有w|x→±∞=0,代入式(5),對x→-∞和x→+∞處的梁端進行求解,即有
又因為cos βx 和sin βx 不能同時為0,可得
在A 點,邊界條件連續(xù),即有
式中:w|AL、w|AR、θ|AL、θ|AR、M|AL、M|AR、Q|AL、Q|AR分別表示A點左右兩側(cè)的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪切力,下標(biāo)處R 表示右趨近,L 表示左趨近。
將式(5)代入式(8),對于OA 段,A 點的x 軸坐標(biāo)值xA=d;對于A~+∞段,A 點的x 軸坐標(biāo)xA=0,從而可得
式中:wA、θA、MA、QA分別表示A 點的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪切力。
在O 點,由于接縫兩端彎矩和剪切力相等,且彎矩為0,從而可得
式中:M|OL、M|OR、Q|OL、Q|OR、w|OL、w|OR分別表示O 點左右兩側(cè)的彎矩、剪切力和撓度。
由式(10)可以解得
聯(lián)立式(9)和式(11),求解各待定系數(shù),瀝青層剪切應(yīng)力為
式中Qa為瀝青層剪切力,表示
ha為瀝青層厚度(m);a 為有限寬長板條邊緣處裂縫的長度(m);kj、ka、kg分別為接縫、瀝青層、夾層(若有)的單位剪切剛度。
2.1.3 剪切疲勞壽命和裂縫擴展的應(yīng)力強度因子
當(dāng)瀝青加鋪層較薄時(如超薄磨耗層),可采用疲勞方程計算瀝青加鋪層層底剪切疲勞壽命[8]即
式中:Nf為瀝青加鋪層層底剪切疲勞壽命;τj為瀝青層極限剪切應(yīng)力。
當(dāng)瀝青加鋪層為普通瀝青混合料時,剪切作用下裂縫擴展應(yīng)力強度因子可表示為
式中b 為有限寬長板條邊緣處裂縫的寬度。
基于彈性地基梁理論,接縫處瀝青加鋪層彎拉應(yīng)力的計算模型如圖3 所示。該模型將瀝青加鋪層和裝配式混凝土板視為雙層梁(上層梁和下層梁),不考慮層間摩阻力即層間完全光滑。同時,因該路面結(jié)構(gòu)與所受荷載對稱,采用了對稱簡化分析,O 點為該對稱結(jié)構(gòu)中點;其中,瀝青加鋪層分為兩部分,接縫處的瀝青層視為非彈性地基梁,其余部分為彈性地基梁,荷載作用長度為2l,l=OB;接縫寬度為2 s,s=OA;A 點為路面板與接縫的邊界位置;B 點為荷載作用的邊界位置;σp 為傳力構(gòu)件的抗彎作用。
圖3 對稱荷載作用下的彈性地基梁模型Fig.3 Beam model of elastic foundation under symmetrical load
2.2.1 Winkler 地基模型
雙層梁采用Winkler 地基模型,其基本變形方程[16]可表示為
式中:w1和w2分別為上下層梁的撓度;D1和D2分別為上、下層梁的剛度;k2和kv分別為彈性地基本身的反應(yīng)模量和下層梁支撐上層梁的反應(yīng)模量。
求解得到上下層梁撓度通解如下
不含Winkler 地基的中間段,基本模型為
該非齊次微分方程的基本解為
式中:w、θ、M、Q 分別表示雙層梁坐標(biāo)為x 處的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪切力;Ji(i=1,2,3,4)為待定系數(shù)。
2.2.2 邊界條件
在O 點,剪切力及轉(zhuǎn)角為0,從而有
在A 點,根據(jù)上層梁邊界條件連續(xù)有
在A 點,下層梁彎矩和剪切力為0,從而有
通過求解式(22)和(23),其余各式所有待定系數(shù)可解。瀝青層層底拉應(yīng)力為
式中:Da為瀝青層剛度;Mp為不可伸縮類接縫加筋作用所產(chǎn)生的抵抗彎矩;Wz為瀝青層橫截面的彎曲截面系數(shù)。
2.2.3 彎拉疲勞裂縫擴展的應(yīng)力強度因子
將接縫處的瀝青層看作純彎拉,彎拉作用下裂縫擴展應(yīng)力強度因子KM[17]可表示為
式中M 為裂縫處彎矩值。
基于彈性地基梁理論,分析了瀝青加鋪層剪切應(yīng)力和彎拉應(yīng)力的計算方法。在此基礎(chǔ)上,可基于斷裂力學(xué),采用Paris 公式[18]計算反射裂縫的擴展壽命,其表達式如下
式中:c 為分段裂縫長度(m);N 為疲勞裂縫擴展壽命;FA和n 為疲勞裂縫擴展參數(shù),與材料有關(guān);ΔK 為應(yīng)力強度因子變化幅值。
3.1.1 接縫性能分析方法
為抑制荷載型反射裂縫,本文采用的接縫性能分析方法如下。
(1)基于接縫處瀝青加鋪層剪切應(yīng)力、彎拉應(yīng)力及裂縫擴展壽命的求解方法,計算每段裂縫擴展所需疲勞作用次數(shù),累加即可得到最終疲勞裂縫貫穿所需的疲勞作用次數(shù)。
(2)分別根據(jù)疲勞作用次數(shù)與相鄰板彎沉差和接縫寬度的關(guān)系,同時考慮接縫性能的衰減,依據(jù)裂縫擴展壽命進行接縫性能指標(biāo)要求的劃定,進而得出為抑制反射裂縫發(fā)生所對應(yīng)的接縫性能要求。
3.1.2 分析參數(shù)設(shè)置
在接縫處相鄰板彎沉差及裂縫擴展壽命的計算過程中,所采用的參數(shù)設(shè)置如下。
(1)加載力。根據(jù)中國路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[19],軸載為雙輪組單軸載為100 kN,取單輪加載力大小為50 kN,作用長度0.2 m,則線應(yīng)力為2.5×105N/m。
(2)瀝青加鋪層剪切彈簧剛度。根據(jù)足尺板換算可以得出,足尺板與長梁在同一撓度傳荷系數(shù)、同一彎沉差下對應(yīng)梁的彈簧剛度,得出梁的單位寬度剪切彈簧剛度為2 000 MN/m。再通過剪切力分配的有限元試算,足尺板中瀝青層傳遞的剪切力為接縫處傳遞總剪切力的10%~20%,故瀝青加鋪層厚為0.05 m 時,取剪切彈簧剛度為200 MN/m,其他厚度條件下?lián)税幢壤逯怠?/p>
(3)分層迭代近似計算。每次裂縫擴展長度取0.005m,計算完畢后將瀝青加鋪層的剪切彈簧剛度進行折減,直至裂縫擴展至頂面,此時瀝青層的剪切彈簧剛度失效。疲勞裂縫擴展參數(shù)FA取2.801×1012,n 取2.269[7]。
(4)其他參數(shù)。接縫的剪切剛度為0~50 000 MN/m;瀝青加鋪層厚度為0.05~0.20 m(模量2 GPa);對于超薄磨耗層,厚度取0.015 m;地基反應(yīng)模量取50 MN/m3;板厚取0.24 m(模量36 GPa),不計防反措施的影響;瀝青加鋪層張拉彈簧剛度影響較小,取10 MN/m。
在接縫寬度的計算過程中,本研究采用單因子輪換法,設(shè)置工況如表1 所示。其他參數(shù)與接縫處相鄰板彎沉差的計算所采用參數(shù)相同,其中地基反應(yīng)模量與層間反應(yīng)模量的比值設(shè)為2。
3.1.3 交通荷載等級標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》[5](JTG D40-2011),按設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計車道臨界荷位處所承受的設(shè)計軸載累計作用次數(shù)將交通荷載等級分為5 級。分類標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。
表1 交通荷載等級分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Specifications for traffic load level
由2.3 節(jié)可知,在接縫處相鄰板彎沉差相同的情況下,瀝青加鋪層裂縫擴展壽命或疲勞壽命僅與瀝青加鋪層性能相關(guān),而與下臥層無關(guān)?;诖耍嬎懔瞬煌穸葹r青加鋪層的裂縫擴展壽命與接縫處相鄰板彎沉差的關(guān)系,如圖4 所示。
圖4 不同厚度瀝青加鋪層的裂縫擴展壽命隨接縫處相鄰板彎沉差的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between crack propagation life of different asphalt layers and deflection difference
從圖4 可知,裂縫擴展壽命隨著彎沉差的增加而逐漸減小,呈先快后慢的趨勢,在彎沉差為50 μm 時存在拐點。對于不同厚度瀝青加鋪層,50 μm 的彎沉差對應(yīng)的裂縫擴展壽命皆大于6×107次,考慮長期荷載作用,相鄰板彎沉差隨時間增加至100 μm,此時對應(yīng)的擴展壽命為2×107次,可滿足重交通荷載等級的要求。
對于0.10 m 厚的瀝青加鋪層,當(dāng)相鄰板彎沉差為25 μm 時其對應(yīng)的擴展壽命約為3×108次;考慮長期荷載作用,相鄰板彎沉差隨時間增加至100 μm 后對應(yīng)的擴展壽命為3×107次,滿足重交通荷載等級的要求。對設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為1 × 1010次以上的極重交通等級路面,瀝青加鋪層厚度為0.1 m 時,相應(yīng)彎沉差的要求在10 μm 內(nèi),考慮后期相鄰板彎沉差的增大,復(fù)合路面的使用壽命難以滿足規(guī)范要求。
因此,為抑制反射裂縫并適應(yīng)重交通等級的需要,建議瀝青加鋪層厚度應(yīng)不低于0.10 m,對于特重和極重交通荷載等級的路面建議增設(shè)防反措施,考慮長期性能衰減情況,建議初始的接縫處相鄰板彎沉差不高于20 μm。
圖5 是0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)的剪切疲勞壽命隨接縫處相鄰板彎沉差的變化關(guān)系,其中在計算過程中抗剪強度取1.1 MPa[20]。
從圖5 可以看出,瀝青層的剪切疲勞類破壞受彎沉差影響非常大,因此彎沉差控制得當(dāng)時,瀝青層壽命可以得到有效提升。從抑制反射裂縫的角度看,較薄的瀝青加鋪層不適用于承受極重交通荷載等級的路面。因此,對承受特重及以下交通荷載等級的路面,考慮長期性能衰減,建議初始的接縫處相鄰板彎沉差不高于20 μm。
圖5 0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)的剪切疲勞壽命隨接縫處相鄰板彎沉差的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between shear fatigue life of 0.015 m-thick asphalt layer(ultra-thin wear layer)and deflection difference
本文分別考慮了地基支撐條件、板厚、瀝青層厚度及接縫構(gòu)件或防反層加筋作用的影響,不同工況下裂縫擴展壽命與接縫寬度關(guān)系的計算結(jié)果如圖6 所示。
由圖6 可知,接縫寬度對裂縫擴展壽命的影響較大,特別是接縫寬度從0 擴展至0.002 m 時,裂縫擴展壽命下降顯著,并持續(xù)下降;在接縫寬度為0.010 m 左右時存在拐點;接縫寬度為0.025 m 時,裂縫擴展壽命近似為1×108次;接縫寬度為0.030 m 時,裂縫擴展壽命仍大于5×107次,此時可滿足重交通荷載等級要求。因此,在路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響上,提高地基反應(yīng)模量及瀝青層厚度對裂縫擴展壽命都是有利的。相對而言,地基反應(yīng)模量的影響在數(shù)量級上幾乎是線性的,瀝青加鋪層厚度的影響則相對有限,且路面板板厚對裂縫擴展壽命幾乎沒有影響。
此外,考慮溫度作用下接縫的最不利寬度為0.005 m,本研究根據(jù)交通荷載等級劃定接縫寬度的指標(biāo)如下:對于重交通荷載等級,接縫寬度應(yīng)控制在0.025 m 以內(nèi);對于特重交通荷載等級,瀝青層應(yīng)大于0.150 m,且同時滿足地基反應(yīng)模量大于110 MN/m3時,接縫寬度控制在0.010 m 以內(nèi),否則接縫寬度應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi);對于極重交通荷載等級,瀝青層較厚(0.150 m 以上)時,接縫寬度應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi),否則接縫寬度控制在0.003 m 以內(nèi)。當(dāng)上述接縫寬度因?qū)嶋H條件受限而不能滿足時,應(yīng)采取相應(yīng)防反處理措施并提高板間摩阻力。
若采用預(yù)應(yīng)力或接縫構(gòu)件(比如cotta 構(gòu)件)[3],其對裂縫擴展壽命的增長如圖6(d)所示,當(dāng)接縫寬度較小時,即使彎矩減小20%,裂縫擴展壽命也可達到億次提升。
圖6 裂縫擴展壽命隨接縫寬度的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between crack propagation life and joint width
此外,計算0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)層底最大彎拉應(yīng)力隨接縫寬度的變化,結(jié)果如圖7 所示。
圖7 0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)的最大彎拉應(yīng)力隨接縫寬度的變化情況Fig.7 Variation of maximum bending tensile stress of 0.015 m-thick asphalt layer(ultra-thin wear layer)with joint width
從圖7 可知,0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)層底最大彎拉應(yīng)力隨接縫寬度呈線性增加。當(dāng)接縫寬度為0.020 m,最大彎拉應(yīng)力達到6 MPa 以上;當(dāng)接縫寬度擴大至0.040 m,最大彎拉應(yīng)力超過12 MPa,這顯然不能滿足疲勞壽命的需求。因此,在采用超薄磨耗層作為加鋪層時,必須從工藝上加強層間粘結(jié),減少層間相對滑動,從而增強抑制反射裂縫發(fā)生的能力。
本文明確了裝配式復(fù)合路面的一般結(jié)構(gòu)形式及受力特征,使用彈性地基梁法和疲勞損傷分析構(gòu)建了接縫處相鄰板彎沉差和接縫寬度與荷載型反射裂縫擴展壽命的關(guān)系。認為通過相鄰板彎沉差、接縫寬度兩個指標(biāo)可有效控制瀝青層壽命,具體結(jié)論如下。
(1)在承受重交通荷載等級以下路面時,接縫處相鄰板彎沉差不宜大于50 μm;在承受特重交通荷載等級路面時,接縫處相鄰板彎沉差不宜大于25 μm;在承受極重交通荷載等級路面時,接縫處相鄰板彎沉差不宜大于20 μm,且當(dāng)瀝青層厚度不低于0.10 m 時,需增設(shè)防反措施。對于超薄磨耗層,在承受重交通荷載等級以下路面時,彎沉差不宜大于20 μm。
(2)在承受重交通荷載等級以下路面時,接縫寬度應(yīng)控制在0.025m 以內(nèi);在承受特重交通荷載等級路面時,瀝青層厚度應(yīng)大于0.150 m,且同時滿足地基反應(yīng)模量大于110 MN/m3時,接縫寬度應(yīng)控制在0.010 m以內(nèi),否則應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi);在承受極重交通荷載等級路面時,當(dāng)瀝青層厚度大于0.150 m 時,接縫寬度應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi),否則應(yīng)控制在0.003 m 以內(nèi)。加鋪超薄磨耗層時,接縫寬度指標(biāo)失效,必須從工藝上加強層間粘結(jié),減少層間相對滑動。另外,當(dāng)層間粘結(jié)較強時,板塊收縮必然導(dǎo)致接縫產(chǎn)生開裂,因此,應(yīng)優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力或接縫構(gòu)件,當(dāng)接縫不具備選用預(yù)應(yīng)力或接縫構(gòu)件條件時,再采取相應(yīng)的防反措施。
本文接縫性能分析的理論基礎(chǔ)是彈性地基梁,與真實的路面板存在一定差異,而對于此差異性本研究并未進行深入探究。因此,后續(xù)的研究可以基于彈性地基板的相關(guān)理論,對裝配式復(fù)合路面的接縫性能開展進一步分析,并開展相關(guān)實驗對理論進行驗證。