路面结构应力吸收层防裂机理分析

摘 要：本章基于断裂力学基本理论，建立有限元平面应变模型，分别对比分析有无设置应力吸收层两种加铺层结构在车辆荷载、温度荷载作用下反射裂缝尖端应力应变场。结果表明：在车辆荷载作用下，反射裂缝尖端最不利荷载作用位置为荷载中心线距离裂缝尖端水平为15cm处。在车辆荷载和温度荷载的作用下，反射裂缝尖端应力应变场在设置应力吸收层后得到极大改善，应力强度因子K和J积分都有明显的减小，表明应力吸收层具有良好的阻裂效果。

关键词：应力吸收层 应力强度因子 J积分

在旧水泥混凝土板及沥青加铺层之间设置一层橡胶沥青、改性沥青砂或柔软沥青混凝土这类应力吸收中间层（SAMI）来防止反射裂缝具有一定的效果。应力吸收层是一种采用特殊聚合物改性的沥青混合料，沥青含量高、混合料中细矿料比重大，具有高弹性、不透水、粘附性强及抗裂性能好等优点，因此，其具有更优良的抗裂性能。

应力强度因子K表征和控制裂缝尖端附近应力应变弹性场强度。J积分是表征材料弹塑性断裂行为的参量。它们的数值越大，裂缝越易开裂扩展，从阻裂效果来看，设置应力吸收层后可以减小应力强度因子和J积分，减缓旧水泥混凝土路面接缝处的应力集中现象，阻止或减缓反射裂缝的进一步发展。

1 有限元计算模型与计算参数

1.1计算模型及裂缝区域的模拟

计算模型由沥青加铺层、应力吸收层、旧水泥混凝土路面和基础组成，采用ABAQUS软件建立平面应变有限元模型。基础采用扩大尺寸进行模拟，经取不同基础尺寸进行误差对比分析，拟定基础扩大尺寸为16.01m×8.5m。行车荷载采用标准轴载（BZZ-100，0.7MPa，30cm），整体网格划分如图1所示，采用奇异单元模拟裂缝尖端应力和应变场，裂缝尖端附近网格划分见图2。

图1 有限元模型图2 裂缝尖端网格划分图

（2）计算参数

依据中国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）[1]及广西南宁至柳州高速公路旧混凝土路面沥青加铺层典型结构，确定本文采用的主要计算参数如表1所示。

2 最不利荷位的确定

计算图3中不同车辆荷载作用位置时裂缝尖端应力强度因子K和J积分的变化规律，取裂缝长度分别为1cm、4cm和8cm，分别代表裂缝扩展的初期、中期和后期，计算结果如图2-7～2-9所示。

图3 沥青加铺层结构计算图示 图4 KII随荷载作用位置变化图

Fig.3 Overlay structure calculation graph Fig.4 KII versus load position

图5 K*随荷载作用位置变化图 图6 J积分随荷载作用位置变化图

Fig.5K* versus load positionFig.6J-integral versus load position

从图4~6可以看出，当车辆荷载行驶通过裂缝上方时，无论是在裂缝扩展的初期、中期或后期，裂缝尖端处的应力强度因子K和J积分均处于反复变化中，在距离裂缝尖端水平距离为15cm处左右两侧出现两次峰值。从计算结果得知：当荷载作用在裂缝一侧（x=±15cm）时，裂尖产生最大KII、K*和J积分，数值越大表示裂缝越容易发生扩展，对加铺层结构越不利，偏荷载是导致反射裂缝扩展的主要原因。因此，从最不利的角度出发，采用偏荷载荷位进行计算分析。

3 应力吸收层阻裂效果分析

直接加铺沥青混凝土结构与设置应力吸收层的沥青加铺层结构分别如图7及图8所示。裂缝长度从1cm递增到8cm，分别计算在车辆荷载、温度荷载作用下反射裂缝扩展过程中裂尖应力应变场变化规律。

图7 直接加铺沥青层结构图8 设置应力吸收层加铺层结构

3.2 温度荷载作用对比分析

假定路表初始温度为10℃，发生15℃降温，路面温度场的分布服从指数型衰减的数学模型[2]。

（1）

式中：z为路面深度，Tm表示持续降温幅度，tm表示从降温开始至降温结束所经历的时间，z0为初始厚度，一般取0.2～0.3m。

对有、无应力吸收层两种加铺层结构进行温度应力分析，得到的计算结果见图9～10。图9为裂缝未扩展情况下加铺层底部等效应力σe、最大主应力σ1和最大拉应力对比图，图10为不同裂缝长度下等效应力对比图。

图9 沥青加铺层底部等效应力图10 裂尖温度等效应力

最大主应力和最大拉应力图 随裂缝长度变化对比图

从图9可知，在温度荷载作用下，设置应力吸收层后与未设置前相比，加铺层底部等效应力σe、最大主应力σ1及最大拉应力分别从3.64MPa、4.73MPa和4.70MPa减小到0.85MPa、0.89MPa和0.84MPa，减幅分别达到76.6%、81.2%和82.1%。从中可知设置应力吸收层将极大减小沥青加铺层底部应力。以1cm裂缝长度为例，加铺应力吸收层后裂尖等效应力、K*和J分别由3.80MPa、0.71MPa・m1/2和450.0N・m降低到1.01MPa、0.18MPa・m1/2和24.3N・m，降幅达到73.4%、74.6%和94.6%。应力应变场数值越小，表明反射裂缝越难发生扩展，可见在温度荷载作用下设置应力吸收层后可以有效减缓反射裂缝的扩展。

4 结语

（1）在车辆荷载作用下，反射裂缝尖端最不利荷载作用位置为荷载中心线距离裂缝尖端水平距离为15cm处。

（2）在车辆荷载作用下，反射裂缝尖端应力应变场在设置应力吸收层后得到极大改善，减缓了裂缝在车辆荷载作用下快速扩展趋势。

（3）在温度荷载作用下，沥青加铺层结构在设置应力吸收层后裂尖应力、KI和J积分数值与设置前相比变小，表明应力吸收层具有良好的阻裂效果。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）[S].北京：中国交通出版社，2006.

[2]郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计原理与方法[M].北京：人民交通出版社，2002.15-64.

[3]王自强，陈少华著.高等断裂力学[M].北京：科学出版社，2009，22-58.

[4]S.Graff， S.Forest， J.-L.Strudel. Finite element simulations of dynamic strain ageing effects at V-notches and crack tips Scripta Materialia， Volume 52， Issue 11， June 2005， Pages 1181-1186.

[5]D.V.Ramsamooj. Analytical prediction of short to long fatigue crack growth rate using small-and large-scale yielding fracture mechanics.International Journal of Fatigue， Volume 25， Issues 9-11， September-November 2003， Pages 923-933.

基金项目：国家自然科学基金（41072240），广西防灾减灾与工程安全重点实验室主任基金（2009TMZR004）

作者简介：梁义东，1968.05―，硕士，高级工程师

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