存在裂縫的瀝青路面的受力特性課件

存在裂縫的瀝青路面的受力特性匯報人：LY道鐵2022/12/30112/30/20221主要內(nèi)容研究背景裂縫的分類及危害有限元建模分析交通荷載作用下路面參數(shù)分析加筋延緩反射裂縫小結(jié)12/30/20222一研究背景1.1問題的提出

當(dāng)前，我國的公路建設(shè)正處于一個快速發(fā)展的階段，就已開通的高等級公路的使用狀況來看，普遍存在十分嚴(yán)重的早期破壞問題，特別是半剛性基層瀝青路面的開裂問題。國內(nèi)已建高速公路使用狀況調(diào)查表明，不論是南方還是北方，通車后一年，最遲第二年均出現(xiàn)了大量裂縫，裂縫率高達(dá)640米／1000平方米，現(xiàn)場鉆取芯樣觀察表明，裂縫中有50％以上為半剛性基層開裂而導(dǎo)致的瀝青面層開裂的反射裂縫。近年來，路面結(jié)構(gòu)開裂已成為半剛性基層瀝青路面最嚴(yán)重的病害之一，而且由于交通量及載重的增加，在重載的反復(fù)作用下，路面開裂有越來越嚴(yán)重的趨勢。一般而言，我國瀝青路面隨著區(qū)域的不同，大約在開放交通2-5年即產(chǎn)生比較嚴(yán)重的裂縫。12/30/20223

1.2.1傳統(tǒng)的瀝青類路面結(jié)構(gòu)破壞理論與方法1.2國內(nèi)外研究概況一研究背景隨著力學(xué)與傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度理論的發(fā)展與推廣應(yīng)用，關(guān)于瀝青類路面結(jié)

構(gòu)破壞的研究開始進(jìn)入了理論分析階段。塑性力學(xué)在道路結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，

主要是確保結(jié)構(gòu)的承載力，即利用材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，運(yùn)用塑性破壞理

論，分析道路結(jié)構(gòu)層的屈服破壞，并在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上防止這類破

壞的出現(xiàn)。隨著傳統(tǒng)的疲勞破壞理論的發(fā)展，人們認(rèn)識到，路面的破壞是由于荷載在路面材料中引起的重復(fù)加載疲勞應(yīng)力，超過了路面混合料的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生的。美、英、德等國家，根據(jù)十多年的大量試驗(yàn)，相繼進(jìn)行了基于疲勞強(qiáng)度理論的設(shè)計上的重大變革，并且目前各國瀝青類路面設(shè)計仍主要沿用這種疲勞強(qiáng)度理論思想。在早期，人們主要基于不同類型數(shù)據(jù)的調(diào)查收集，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理分析、總結(jié)，提出經(jīng)驗(yàn)性的公式與方法，計算或預(yù)測瀝青類路面結(jié)構(gòu)相應(yīng)結(jié)構(gòu)破壞的使用壽命。12/30/202251.2國內(nèi)外研究概況一研究背景

1.2.2基于斷裂力學(xué)的瀝青路面破壞理論與應(yīng)用傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度理論沒有考慮材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部先天存在的缺陷或因使用期內(nèi)逐漸出現(xiàn)的缺陷對路面結(jié)構(gòu)造成的不利影響，這種運(yùn)用傳統(tǒng)疲勞力學(xué)與方法對瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行的計算和分析結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。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、濕度化等)裂縫的平衡、擴(kuò)展和失穩(wěn)規(guī)律，以及其強(qiáng)度的一門學(xué)科，它在工程上的應(yīng)用與發(fā)展，引起或即將引起有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的革命性變革。

1.2.3基于動力學(xué)的瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞理論

由于路面不平整、車速高、以及重載等原因，車輛荷載隨時間和路表特性而變化，是典型的動力荷載。在動態(tài)荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)同靜態(tài)荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)將有很大的區(qū)別。美國AASHTO對不同車速作用下的瀝青路面和水泥路面變形量進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)測的結(jié)果顯示：當(dāng)車速增加的幅度很大時，路表彎沉有很大程度的減小。12/30/20226根據(jù)瀝青路面開裂的主要原因，裂縫可以分為兩大類，即荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫，即主要由于交通荷載作用而產(chǎn)生的裂縫。非荷載型裂縫，即不是由于交通荷載引起的裂縫，主要為溫度型裂縫。按瀝青面層裂縫開裂部位、裂縫開裂方式，路面體中的裂縫又可分為基層反射裂縫、表面裂縫。基層反射裂縫，即半剛性基層開裂后，在裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫自下而上持續(xù)發(fā)展，直至貫通至路表面；表面裂縫表現(xiàn)為自上而下的開裂方式，一般為溫縮型裂縫或在交通荷載的作用下，在輪載邊緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力所產(chǎn)生的。二裂縫的分類及危害2.1半剛性基層瀝青路面裂縫的主要類型12/30/20227對瀝青路面結(jié)構(gòu)裂縫的類型進(jìn)行劃分是必要的。因?yàn)閷?dǎo)致裂縫的主要成因不同，預(yù)防和處置的相應(yīng)措施也會有所區(qū)別。沙慶林院士在其專著中給出了幾點(diǎn)重要結(jié)論：①有較厚瀝青面層的半剛性路面，裂縫主要是面層本身產(chǎn)生的以低溫縮裂為主的溫度裂縫；②半剛性基層上為較薄瀝青面層時，面層中有相當(dāng)一部分是反射裂縫。合理的選擇路面材料和結(jié)構(gòu)組合，或采取其它抗裂措施，能改善路面體中的溫度狀況，減少或延緩基層反射裂縫向上反射。二裂縫分類及危害2.1半剛性基層瀝青路面裂縫的主要類型12/30/20228二裂縫的分類及危害2.3路面裂縫形成的相關(guān)影響因素分析瀝青路面的開裂一般與路面材料的特性、結(jié)構(gòu)組成及形式以及交通荷載和各類環(huán)境因索的作用有關(guān)。歸納起來，引起路面開裂的主要由以下幾個方面的原因：道路結(jié)構(gòu)溫度場的影響道路結(jié)構(gòu)溫度場隨外界氣溫而呈周期性變化，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度亦隨不同深度而變化，各結(jié)構(gòu)層由溫度變化產(chǎn)生的伸縮變形受阻即產(chǎn)生溫度應(yīng)力。無論是表面裂縫還是基層反射裂縫，道路結(jié)構(gòu)溫度場的變化對其生成和發(fā)展均產(chǎn)生十分重要的影響。交通荷載由于半剛性基層材料不可避免的開裂特性，使在交通荷載的作用下，裂縫頂端產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，將促使基層反射裂縫的向上延伸。對于表面裂縫，由于超重車的增加，輪胎胎壓的增大，路面結(jié)構(gòu)的變形，將在輪跡側(cè)面產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致表面裂縫的產(chǎn)生。12/30/202210

利用通用有限元程序，采用三維實(shí)體單元，建立如圖3.1所示實(shí)體模型，模型寬度200cm，長度100cm，路基厚度lm，裂縫自基層向上貫通至路表面，路面各結(jié)構(gòu)層厚度及材料參數(shù)如表3.1所示。三有限元建模分析3.1含貫通裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)圖3.1含貫通裂縫路面結(jié)構(gòu)分析模型(單位：cm)12/30/202212根據(jù)上述有限元分析模型，分別計算沿輪載中心垂直于橫向裂縫方向路表和瀝青面層底部的應(yīng)力、和沿輪載中心平行于橫向裂縫方向路表和瀝青面層底部的應(yīng)力，并與開裂前路面結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位的應(yīng)力進(jìn)行比較。計算結(jié)果如圖3.2~圖3.5所示。圖3.2路表垂直于裂縫方向應(yīng)力(MPa)

圖3.3面層底部垂直于裂縫方向應(yīng)力(MPa)

圖3.4路表平行于裂縫方向應(yīng)(MPa)

圖3.5面層底部平行于裂縫方向(MPa)

三有限元建模分析3.1含貫通裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)12/30/202214由圖3.2、圖3.3可知，半剛性基層瀝青路面開裂后，荷載作用側(cè)垂直于裂縫方向路表拉應(yīng)力明顯增大，最大拉應(yīng)力由開裂前的0.06MPa增大到開裂后的0.16MPa，增大167％；瀝青面層底部沿垂直于裂縫方向應(yīng)力，在開裂后于荷載作用區(qū)域一定范圍外表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但最大拉應(yīng)力僅為0.016。由圖3.4、圖3.5可知，在路面結(jié)構(gòu)開裂前后，無論是路表還是瀝青面層底部，在平行于橫向裂縫方向，應(yīng)力特征主要表現(xiàn)為荷載作用區(qū)域壓應(yīng)力減小，拉應(yīng)力變化不大。由此可以看出，在瀝青面層開裂后，在交通荷載的作用下，沿垂直于裂縫方向的拉應(yīng)力變化顯著，且拉應(yīng)力顯著增大，而平行于裂縫方向的應(yīng)力主要是壓應(yīng)力變化較顯著，其對路面結(jié)構(gòu)裂縫影響非常小。相較完整路面結(jié)構(gòu)，開裂后處于更不利的應(yīng)力狀態(tài)。三有限元建模分析3.1含貫通裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)12/30/202215水泥、石灰、粉煤灰穩(wěn)定類的半剛性基層在溫度和荷載作用下不可避免的會產(chǎn)生裂縫，而在已經(jīng)開裂的舊瀝青路面或水泥混凝土路面上加鋪新瀝青面層后，外力作用下，在裂縫尖端附近的瀝青混凝土材料內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致原先的裂縫會在瀝青加鋪層相同的位置出現(xiàn)，這樣就形成了反射裂縫。反射裂縫從形成原因上可分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫兩大類。荷載型裂縫是在行車荷載的反復(fù)作用下，瀝青面層底部產(chǎn)生裂縫，由于應(yīng)力集中作用導(dǎo)致裂縫繼續(xù)向上擴(kuò)展，形成荷載型反射裂縫。非荷載型裂縫主要是半剛性基層受溫度影響產(chǎn)生溫度收縮裂縫，以及半剛性基層完工之后由于水分減少而產(chǎn)生干縮裂縫。這些裂縫在半剛性基層成型過程中及環(huán)境因素綜合作用下，逐漸擴(kuò)展并延伸至瀝青面層，從而形成非荷載型反射裂縫。三有限元建模分析3.2含擴(kuò)展裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)12/30/202216

（1）荷載型反射裂縫根據(jù)已有的研究成果，在交通荷載的作用下，有限元幾何模型的長和高分別取10米和6米左右時，計算精度可以滿足要求。施加載荷采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，模型底邊采用完全固定約束，兩側(cè)邊除裂紋面外采用法向約束，裂紋面和頂邊自由。圖3.6有限元模型網(wǎng)格劃分三有限元建模分析3.2含擴(kuò)展裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)12/30/202217車輪駛過裂縫上端時，經(jīng)歷兩個典型位置，即行車荷載對稱作用于裂縫上端(對稱)和行車荷載作用于裂縫上方一側(cè)(偏載)兩種情況。為了反映基層裂縫對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，針對對稱荷載和反對稱荷載作用兩種情況，考慮影響裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的關(guān)鍵因素，在對稱荷載的作用下。僅計算瀝青面層內(nèi)部拉應(yīng)力分布。在偏載作用下，僅計算瀝青面層內(nèi)部沿裂縫擴(kuò)展方向的剪應(yīng)力分布。圖3.7荷載相對于裂縫的位置三有限元建模分析3.2含擴(kuò)展裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)12/30/202218三有限元建模分析3.2含擴(kuò)展裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)

（2）非荷載型反射裂縫

道路結(jié)構(gòu)初始溫度采用道路結(jié)構(gòu)施工時溫度，約為20℃。有限元模型底邊固定約束，兩側(cè)邊法向約束，裂紋面自由，網(wǎng)格劃分如圖3.9所示，計算結(jié)果如圖3.10所示。圖3.9有限元模型網(wǎng)格劃分12/30/202220圖3.10開裂前后瀝青面層溫度應(yīng)力的比較(MPa)在溫度荷載的作用下，基層開裂前，瀝青面層底部附近應(yīng)力僅為0.57MPa，而開裂后，裂縫尖端附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力增大為7.56MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)大于瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度，也遠(yuǎn)大于在交通荷載作用下所產(chǎn)生的剪應(yīng)力，因此，溫縮效應(yīng)在路面結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程中起著重要的作用。三有限元建模分析3.2含擴(kuò)展裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)12/30/202221表4.1面層厚度對應(yīng)力強(qiáng)度因子KII的影響表4.2面層模量對應(yīng)力強(qiáng)度因子KII的影響圖4.1面層厚度變化對面層剪應(yīng)力的影響(MPa)圖4.2面層模量變化對面層剪應(yīng)力的影響(MPa)四交通荷載作用下路面參數(shù)分析12/30/202223由表4.1和圖4.1可知，隨瀝青面層厚度的增大，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，整個瀝青面層厚度范圍內(nèi)拉應(yīng)力也顯著減小。當(dāng)瀝青面層厚度由8cm變化到22cm時，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子0.0836變化到0.0347，減小58.5％。由表4.2和圖4.2可知，隨瀝青面層模量的增大，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸增大，而除裂縫端區(qū)域外，瀝青面層全厚度范圍內(nèi)的應(yīng)力則變化不大。當(dāng)瀝青面層模量由1000MPa變化到2500MPa時，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子由0.0359增大到0.0744，增大了107％。

②基層厚度、模量變化對瀝青面層應(yīng)力場的影響所選用的路面結(jié)構(gòu)模型中，為考察基層厚度對瀝青面層受力狀態(tài)的影響，假定基層全部采用水泥穩(wěn)定碎石，厚度分別為37cm、29cm和21cm。同樣，為考察基層模量變化對瀝青面層受力狀態(tài)的影響，假定基層模量分別為2000MPa、1800MPa、1600MPa時，路面其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)不變的情況下，計算瀝青面層受力狀態(tài)的變化。四交通荷載作用下路面參數(shù)分析12/30/202224由表4.3和圖4.3可知，隨基層厚度的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸增大，瀝青面層全厚度范圍內(nèi)的應(yīng)力則變化不大，當(dāng)基層厚度由21cm增加到37cm時，應(yīng)力強(qiáng)度因子由0.0436增大到0.0528，增大21.1％。由表4.4和圖4.4可知，隨基層模量的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，瀝青面層全厚度范圍內(nèi)的應(yīng)力變化很小，當(dāng)基層模量由1600MPa增大到2000MPa時，應(yīng)力強(qiáng)度因子由0.0573減小到0.0486，減小15.2％。因此可以看出，基層厚度和模量的變化對裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響較小，加大基層厚度和基層模量對裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的降低作用有限。四交通荷載作用下路面參數(shù)分析12/30/202226

國內(nèi)外試驗(yàn)研究和基于斷裂力學(xué)的理論研究分析表明，土工布、玻璃纖維格柵等加筋材料，即應(yīng)力吸收層，可有效地防止半剛性基層瀝青路面反射裂縫。加筋結(jié)構(gòu)是在半剛性基層與其上瀝青面層間鋪設(shè)一層加筋材料。瀝青路面結(jié)構(gòu)選用常用的4層體系結(jié)構(gòu)：瀝青面層厚18cm；半剛性基層厚20cm，模量1400MPa；底基層厚25cm，模量300MPa；土基模量40MPa。半剛性基層含貫穿裂縫。荷載為偏載，作用在裂縫上方左側(cè)路表，其強(qiáng)度為0.7MPa。加筋材料的張拉模量Eg=0.1，0.5MN/m。五加筋延緩反射裂縫12/30/202227圖5.1瀝青面層底部正應(yīng)力的分布對于無筋的瀝青路面結(jié)構(gòu)，裂縫附近瀝青層內(nèi)存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，很小的區(qū)域內(nèi)正應(yīng)力發(fā)生急劇變化，由裂縫右側(cè)(非加載邊)的極大負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p左側(cè)(加載邊)的較大正值。圖5.2疲勞加載過程中無筋和加筋瀝青面層底部彎拉應(yīng)力的變化趨勢

對于無筋的瀝青路面結(jié)構(gòu)，在較長時間內(nèi)(約160000次循環(huán)加載)，瀝青面層底部一直存在彎拉應(yīng)力，只是其值隨著疲勞損傷程度的加深而逐漸減弱。而對于加筋的瀝青路面結(jié)構(gòu)，瀝青面層底部的彎拉應(yīng)力存在的時間較短(約75000次循環(huán)加載)，這正是加筋材料起到了加筋作用，改變了損傷區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)，相應(yīng)延長了瀝青面層的使用壽命。五加筋延緩反射裂縫12/30/202228

計算結(jié)果顯示，瀝青面層底部起裂時，無筋和加筋瀝青路面所承受的循環(huán)加載次數(shù)分別為：無筋N=1635，加筋N=7257(Eg=0.1MN/m)，加筋N=7348(Eg=0.5MN/m)；疲勞損傷破壞區(qū)貫穿瀝青面層表面時，無筋和加筋瀝青路面所承受的循環(huán)加載次數(shù)分別為：無筋N=227600，加筋N=29l100(Eg=0.1MN/m)，加筋N=314300(Eg=0.5MN/m)。鋪設(shè)張拉模量Eg=0.1，0.5MN/m的加筋材料，分別可以將瀝青面層的疲勞壽命延長至1.28，1.38倍。

無筋和加筋瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷分析結(jié)果表明，在瀝青面層與半剛性基層之間鋪設(shè)加筋材料，的確可以改善瀝青面層內(nèi)的受力狀態(tài)，延緩損傷破壞區(qū)的發(fā)展，相應(yīng)延長瀝青面層的疲勞壽命。五加筋延緩反射裂縫12/30/202230

對比無筋和加筋瀝青路面，加筋材料在裂縫附近存在局部增強(qiáng)約束作用，在裂縫的右側(cè)始終存在受壓區(qū)，未出現(xiàn)拉剪損傷現(xiàn)象，而無筋瀝青路面裂縫前沿的損傷區(qū)分布范圍較大，損傷程度更為明顯。這表明加筋能約束瀝青面層底部損傷區(qū)的范圍及損傷區(qū)向上發(fā)展的速度，從而延長瀝青面層壽命。加筋材料發(fā)揮作用的范圍大約為10cm寬區(qū)域。適當(dāng)提高加筋材料的張拉模量，可取得更好的效果。五加筋延緩反射裂縫12/30/202231程國富在《瀝青路面基層防裂施工工藝淺析》中提出下述方法：水泥穩(wěn)定碎石預(yù)切縫施工+應(yīng)力吸收層的技術(shù)方案對基層進(jìn)行預(yù)鋸縫處理實(shí)質(zhì)上是消弱基層的約束條件，從而使基層能承受更大溫差的變化。其主要作用有兩方面：