高模量沥青混凝土路面疲劳研究_周庆华

第30卷第1期2013年3月

土木工程与管理学报Journal of Civil Engineering and Management Vol．30No．1Mar．2013

收稿日期：2012-05-15修回日期：2012-

06-16作者简介：周庆华（1977-），女，河南新乡人，副教授，博士，研究方向为沥青路面结构设计与材料性能（Email ：zqhlsg@126．com ）基金项目：陕西省教育厅科研计划（12JK0805）

高模量沥青混凝土路面疲劳研究

周庆华1，沙爱民

2

（1．陕西交通职业技术学院公路工程系，陕西西安710018；

2．长安大学

特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西

西安710064）

摘

要：为了掌握高模量沥青混凝土道路结构在车辆荷载反复作用下的受力特点，采用ABAQUS 建立计算模

型，

针对带裂缝的半刚性基层高模量沥青混凝土面层的结构形式，对存在裂缝的道路结构进行应力强度因子计算和疲劳寿命分析。结果表明，高模量沥青混凝土面层中反射裂缝的应力强度因子随高模量层模量的增加而提高；在疲劳断裂参数不改变的情况下，沥青路面的疲劳寿命将会降至原寿命的74．6%。因此，改善高模量沥青混凝土材料自身的疲劳性能，是保证高模量沥青混凝土路面的疲劳寿命不受影响的必要条件，在高模量沥青混凝土应用技术中应增加关于高模量沥青混凝土疲劳性能技术指标的具体要求。关键词：道路工程；高模量沥青混凝土；

疲劳性能；

应力强度因子

中图分类号：U414．1

文献标识码：A

文章编号：2095-

0985（2013）01-0030-05Research on Fatigue Performance for High Modulus Asphalt Concrete Pavement

ZHOU Qing-hua 1，SHA Ai-min 2

（1．Department of Highway Engineering ，Shaan'xi College of Communications Technology ，

Xi'an 710018，China ；2．Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education ，

Chang'an University ，Xi'an 710064，China ）

Abstract ：In order to master mechanical characteristics of high modulus asphalt concrete pavement ，fracture mechanics calculation and fatigue life analysis for the special road structure were completed using ABAQUS finite element software ，which road composed with semi-rigid base layer with cracks and high modulus asphalt concrete pavement．The results show that the stress intensity factor of reflection crack will increase with the modulus increasing of high modulus asphalt concrete pavement ，and the propagation life of reflection crack decreased to 74．6%of the original life．So in order to ensure that the fatigue life of high modulus of asphalt concrete pavement is not affected ，it is necessary to improve the fatigue performance of high modulus asphalt concrete ，and add the fatigue evaluation index into the applied technology of high modulus asphalt concrete．

Key words ：road engineering ；high modulus asphalt concrete ；fatigue performance ；stress intensity

factor

随着交通量的逐年增加，路面车辙已经成为

高等级公路的主要病害类型，为了解决沥青路面的车辙问题，国内外的许多学者提出各种各样的解决方法，其中一种方法就是通过提高沥青混合料的模量来提高路面的抗车辙能力，混合料具有较高的劲度模量，其高温抗变形能力也会相应得到改善。实践证明，高模量沥青混凝土作为一种

新型道路材料，

在减少车辙病害方面具有显著的优势。但是，对于设置了高模量沥青混凝土材料的路面结构而言，单一结构层材料模量的提高会使得道路结构的受力状况发生比较大的变化，尤其是结构层层底弯拉应力产生的波动较大，这会直接影响道路结构的疲劳寿命。为了准确掌握半刚性基层高模量沥青混凝土面层的受力特点，使

第1期周庆华等：高模量沥青混凝土路面疲劳研究

之能够与其它结构层形成合理组合，更好地发挥

高模量沥青混凝土层的功能，本文从实际角度出

发，针对带裂缝的半刚性基层高模量沥青混凝土

面层这种结构形式，利用ABAQUS有限元软件，

对存在裂缝的道路结构进行断裂力学和疲劳寿命

分析。

1路面结构模型

1．1基本假设

进行路面结构的有限元计算，需对边界、荷载

等作适当简化，本文假设各层都由均质、弹性、各

向同性材料组成，各层之间的接触面为层间完全

连续，其上位移完全连续，基层中心处存在裂缝，

横向裂缝间距是均匀的，横向裂缝贯穿路面的整

个宽度。

1．2路面结构

计算采用我国目前常用的半刚性基层沥青路

面结构形式，其中高模量沥青混凝土作为中、下面

层，其路面结构各组成部分的材料如下：上面层为

细粒式沥青混凝土，中、下面层为高模量沥青混凝

土，基层材料为水泥稳定碎石，底基层材料为低剂

量水泥稳定碎石。各层材料的具体特性及厚度参

数见表1。

表1各结构层材料参数

序号结构层材料类型厚度/cm 弹性模量

/MPa泊松比

1上面层细粒式沥

青混凝土H

1

=4E

1

=12000．35

2中/下面层高模量沥

青混凝土H

2

=14E

2

=18000．35

3基层水泥稳定

碎石H

3

=36E

3

=15000．2

4底基层低剂量水泥

稳定碎石H

4

=16E

4

=9000．2

5土基E0=600．45 1．3行车荷载

计算行车荷载采用标准双轮轴载100kN，胎压0．707MPa。

1．4计算模型及边界约束条件

本文路面结构在水平方向和深度方向取其有限尺寸（10mˑ10m），应用三维实体单元进行离散处理，在非对称横断面上完全约束，对称面上限制垂直于对称面方向的位移，底部完全约束。当车轮驶过裂缝上方时，会经历两个典型位置，分别为作用于裂缝上端的对称荷载和作用于裂缝上方一侧的偏载，由于正荷载作用下层底主要受压［2］，因此本文针对车轮作用于裂缝上方一侧的偏荷载进行建模分析，如图1所示

。

图1偏荷载

计算时采用20节点六面体二次减缩积分单元（C3D20R）作为基本的单元类型，路面结构模型的网格划分如图2所示，裂缝尖端网格划分如图3所示

。

图2

路面结构网格划分

图3裂缝尖端网格划分

2应力强度因子计算

将高模量沥青混凝土设置在道路的中、下面层，半刚性基层裂缝向面层中的反射过程将产生一定程度的变化。交通荷载作用下，面层裂缝扩展规律受多个因素影响，主要有面层模量、面层厚度、基层模量和基层厚度等，下文将分别对多个参数变化引起的应力强度因子变化情况进行分析，寻求高模量沥青混凝土层内应力强度因子的变化规律。面层反射裂缝计算模型见图4

。

图4路面结构计算模型

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