厚沥青路面Top_Down裂缝分析及对路面设计的启示_徐鸥明

文章编号:1671-2579(2006)05-0133-04

厚沥青路面T op-Dow n 裂缝分析及对路面设计的启示

徐鸥明,郝培文 编译

(长安大学,陕西西安 710064)

摘 要:T op-Dow n 裂缝是厚沥青层路面的主要损坏方式。该文首先对T op-Dow n 裂缝的产生机理进行了分析,然后使用断裂力学和有限元模型,对有裂缝路面的裂缝扩展机理和裂缝的增长阶段进行了研究。结果表明,裂缝扩展的机理主要是拉应力作用,路面结构和荷载谱(大小和位置)也很重要;而荷载位置和温度在沥青混凝土中诱发的劲度梯度,连同沥青和基层的劲度,对裂缝扩展也有重大影响。

关键词:沥青路面;T o p-D ow n 裂缝;机理;断裂力学

收稿日期:2006-01-28

1 前言

在过去几年里,从表面开始的纵向轮迹带裂缝,成为佛罗里达州际沥青路面疲劳破坏的主要方式。欧洲也出现了类似的情况,显然这种破坏形式在美国其他地方也很普遍。图1为观测到的几种不同的裂缝组合形式:一个轮迹带、两个轮迹带和两个轮迹带之间的单个裂缝,以及轮迹带上若干纵向裂缝。为此,佛罗里达大学和佛罗里达州交通部对此进行了广泛研究,以确定产生这种裂缝的原因和解决方案。

一直以来,总是假定裂缝是由沥青混凝土层层底开始,向上扩展贯穿整个沥青层。用沥青层底(荷载圆圆心下面位置)的路面响应评价不同因素的影响,结果显示,路面结构的影响最大。然而,直观检查钻芯和沟槽部分,清楚地显示裂缝是由沥青混凝土层表面开始产生的,

然后向下扩展贯穿整个沥青层。

图1 两个轮迹带上都有Top-Down 裂缝的车道本文主要介绍和永久性路面有关的To p-Dow n

裂缝研究发现:①裂缝产生和扩展机理;②决定机理的关键因素;③缓解方法和对路面设计的启示。

2 裂缝起裂研究

在研究过程中,特别关注路表应力以及对损坏机理的影响。分析轮胎接地压力(包括侧向压力)、温度应力和劲度梯度对源于表面裂缝的影响。轮胎接地压力采用一个具有刚性基础的仪器测量,可以获得卡车轮胎的类型、轮胎充气压力和轴载,得到的压力用于路面模型分析。特别关注由子午线卡车轮胎的条纹诱发的横向应力方向。温度应力分析显示,在很短时间内存在一个高拉应力临界状态,特别是在冬季晚间。

敏感性分析表明,在厚路面上表面应力很大,这是由于宽的轮胎花纹导致了挠度的减小。

由于卡车子午线轮胎引发的横向接触应力是产生表面纵向轮迹裂缝的主要因素;同时,温度应力也有一些影响。因此,在一些场合,裂缝也可能是由摊铺设备的不均匀性引起的。

初步研究结果显示,路面结构(厚度和刚度)对表面应力影响很小,可以通过使用高抗裂改性沥青混合料来解决裂缝问题。此外,测量轮胎与路面之间的接触应力是正确评估路面裂缝性能的手段,必须在研究中予以考虑。

第26卷 第5期

2006年10月

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3 裂缝扩展机理

研究揭示了裂缝产生的潜在原因,然而,需要进一步解释To p-Dow n 裂缝在开始阶段之后的扩展。这是因为,轮胎接地应力和表面热应力都不能用来描述Top-Dow n 裂缝的扩展。在路表一个相对小的、接近1cm 深的拉应力区域进行研究,来定义损坏机理,以及进一步确定控制T op-Dow n 裂缝扩展的因素。首先进行参数研究,以分离不同参数对表面裂缝扩散的影响。评估的参数有:荷载谱(相对裂缝的位置、测得的垂直应力以及子午线轮胎的接地应力)、裂缝和间断、离析、裂缝深度、沥青路面厚度以及基层和表层的刚度。图2表示评估表面T op-Dow n 裂缝扩展重要因素的路面模型,以及各因素值的范围。同时,还分析由于每天温度和环境波动而诱发的劲度梯度对

裂缝增长的影响。

图2 表面裂缝扩散路面评估模型

其次选择断裂力学分析方法预测裂缝的增长、计算应力强度因子以及定义裂缝末端的响应行为。即对裂缝末端进行局部描述,并预测在裂缝末端前面的应力作用区域。使用3个参数进行评价,定义如下:

模型1:应力强度因子K 1U lim R xx @(2P r)

1/2

模型2:应力强度因子K 2U lim S yx @(2P r )1/2断裂能释放率:J =(K 12

+K 22

)@(1-M 2)/E 式中:R xx 为横向应力;S yx 为剪应力;M 为泊松比;r 为离裂缝末端的垂直距离;E 为劲度模量。

参数研究的结果表明了路面结构对裂缝扩展的影响。研究发现,拉应力对损坏有至关重要的作用,大大

超过了裂缝末端的剪应力,这表明裂缝增长主要是按

模型1进行的。图3表示拉应力和剪应力强度因子之间的大小差异。从图中可以看出,劲度比越高,裂缝末端的拉应力越大。研究还发现,影响裂缝末端的拉应力最重要的因素是荷载位置,而拉应力的大小取决于裂缝的长度,如图4

所示。

图3 损坏模式比较:

拉裂和剪裂

图4 荷载位置对高劲度比、20cm 表面层的裂缝末端

的影响(按模型1断裂:E 1B E 2=5500B 140)

参数研究还包括劲度梯度对裂缝增长的影响。本

文选择的劲度梯度是基于美国联邦公路局在佛罗里达州中北部的研究结果。由于温度差异、老化-硬化和突然降雨都会在沥青混凝土的下卧层诱发劲度差异,因此,采用4种梯度构造,定义如下:

(1)情形1:均匀的温度分布(即没有劲度梯度),意味着当环境温度适宜(暖和)的时侯,计算1/3厚度处的路面温度。

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(2)情形2:靠近表面的区域存在明显的温度梯度,下午7B00时的温度代表这种状态。

(3)情形3:表面和沥青混凝土层底存在最高的温度差异,早上5B00时的温度代表这种状态。

(4)靠近表面的区域温度发生骤降,突然降雨代表这种情况。

路面模型的有限元分析表明,裂缝末端的应力大幅增加。图5说明对于一个给定路面结构和荷载位置(荷载中心距离裂缝75cm)的不同劲度梯度(基层劲度E2=140M Pa)组合时裂缝末端的拉应变强度变化情况。从图中可以看出,当存在劲度梯度时,有时预测到的拉应力大小是路面均匀劲度的7倍。然而,均匀劲度的沥青混凝土不能真实预测最大裂缝增长。基于这样的原因,将路面作为变化劲度的层分析是预测表面裂缝扩散的关键。

图5温度诱发的劲度梯度对20cm厚AC层的裂缝末端预测应力强度因子K1的影响(按模型1断裂)

4裂缝增长阶段

通过对参数的研究,可以对裂缝增长阶段进行定义。本文将裂缝增长的两阶段定义为短缝(6.25~ 12.5mm深)和中缝(18.75~37.5m m深)。用这种观点来评价有助于区别不同荷载谱的影响。研究表明,荷载位置及其大小是裂缝增长的媒介。例如,进一步观察图4可以发现,临界荷载位置并不总是直接在裂缝的轮迹上。事实上,临界荷载位置取决于裂缝长度、路面结构特性,甚至是诱发的劲度梯度类型。由于这个原因,需要确定多大的实际荷载诱发了裂缝末端的拉应力。

由图6可以得到这样的结论,拉应力大小的变化取决于裂缝长度。通过观察,可定义一个低的裂缝增长活动时间。该活动时间为应力强度相对较低和裂缝不易扩展这样一个时期。那么,一旦裂缝增长,就应该在裂缝长度超过预先确定的中等长度之前修复路面。在开裂增长过程的早期修复路面很重要,这取决于在裂缝增长速度飞速增大之前可以获得的时间。

研究表明,对于给定的荷载谱,裂缝增长的潜能随裂缝长度变化,在成为中等裂缝长度时明显放缓。当裂缝长度增大时,K1的分布可以转化为裂缝增长潜能,如图6和7所示。知道了裂缝增长潜能,就可以建立路面的管理方法,定义一个进行修复的时期。根据记录荷载的重复作用次数、路面结构以及季节温度,可

将裂缝增长活动时间的概念应用于单个现场段。

图6

裂缝增长潜能和修复时间

图7荷载的横向分布与产生裂缝的临界荷载位置

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