刚柔复合式路面沥青层荷载疲劳损伤特性及开裂机理

李盛，刘朝晖，李宇峙

(长沙理工大学 特殊环境道路工程湖南省重点实验室，湖南 长沙，410004)

摘要：针对刚柔复合式路面的结构特点和现有研究的不足，运用损伤力学、断裂力学理论和数值仿真法，分析沥青层的荷载疲劳损伤特性、开裂机理、裂缝扩展等，并对实体工程进行观测。研究结果表明：在荷载的反复作用下，荷载作用一侧刚性基层接缝(裂缝)处的沥青层易出现疲劳开裂，开裂后裂缝尖端处受到拉应力作用，裂缝沿尖端向上扩展；随着接缝模量的不断增加，沥青层的疲劳损伤寿命不断提高；随着沥青层模量的增加，沥青层的损伤度不断增大；随着土基模量的增大，沥青层的损伤度不断减小；沥青层反射裂缝的扩展强度随裂缝扩展而增大，且在裂缝扩展后期的增大幅度要明显地大于前期的增大幅度；增加沥青层厚度会对反射裂缝的扩展起延缓作用，随着沥青层模量的增加，沥青层反射裂缝的扩展强度线性幅度增大，但增加幅度并不大。研究结果可用于刚柔复合式路面的合理设计。

关键词：复合式路面；疲劳损伤；开裂机理；裂缝扩展；仿真

中图分类号：U416.224；U416.01          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)09-3857-06

Fatigue damage characteristics and cracking mechanism of asphalt concrete layer of rigid-flexible composite pavement under load

LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi

(Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province,

Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: Focused on the structure characteristics and the flaws of existing studies of rigid-flexible composite pavement, the theories of damage mechanics, fracture mechanics and simulation method were used to analyze the fatigue damage characteristics, cracking mechanism and crack propagation of the asphalt concrete layer under load, and entity engineerings were observed and analyzed. The results show that the asphalt concrete layer of which is on the side of load and at the joints (cracks) of rigid base is prone to fatigue cracking under repeated load, the crack tip is under tensile stress after cracking, cracks propagate upward along crack tip. The fatigue life of the asphalt concrete layer under load increases continuously with the increase of modulus of joint. The damage of the asphalt concrete layer increases continuously with the increase of modulus of asphalt concrete layer, the damage value of the asphalt concrete layer decreases continuously with the increase of modulus of soil base. Propagation strength of reflective crack in the asphalt concrete layer increases with crack propagation, and the increase is significantly larger in crack propagation later than previous. Increasing thickness of the asphalt concrete layer can postpone reflective crack propagation. The propagation strength of reflective crack in the asphalt concrete layer increases linearly with the increase of modulus of asphalt concrete layer, but the increase is not large. The results are of great significance in rational design and popularization and application of rigid-flexible composite pavement.

Key word: composite pavement; fatigue damage; cracking mechanism; crack propagation; simulation

我国沥青路面的早期损坏较严重，高速公路沥青路面的使用寿命经常低于设计使用期，迫切需要提高道路工程的耐久性，促进我国交通运输事业更快更好地发展。刚柔复合式沥青路面具有整体强度高、行车舒适性好、使用寿命长、维修费用小等优点，是重载交通长寿命沥青路面结构的发展方向^[1-3]。刚柔复合式路面沥青面层的主要破坏模式为反射裂缝和温缩开裂，在沥青层出现裂缝后，由于沥青层较薄，在温度和荷载的共同作用下，裂缝易贯穿整个沥青层，直接影响沥青层的使用性能和寿命。目前，通常采用损伤力学全解耦法对路面结构在荷载作用下的疲劳损伤特性进行研究，不能准确体现损伤与应力状态的相互耦合作用^[4-7]。孙志林^[8]使用损伤力学－有限元全耦合法对半刚性基层沥青路面的基层进行疲劳损伤研究，但刚柔复合式路面结构复杂且有其自身的特点，刚性基层与沥青面模量相差较大，且刚性基层一般有接缝，沥青面层易在刚性基层接缝处产生损伤开裂。目前还没有刚柔复合式路面沥青面层疲劳损伤特性及开裂机理等方面的研究。研究刚柔复合式路面沥青面层的疲劳损伤特性和开裂机理可为其设计、施工及日常养护方案的制定等工作提供重要的科学依据，有重要的理论意义和现实意义。

1  计算理论及模型

在车辆荷载的反复作用下，路面结构的性能不断衰减，体现出一定的疲劳损伤演化特性。沥青层的疲劳损伤演化呈非线性衰减规律^[5-8]，在荷载作用下，刚柔复合式路面沥青层的损伤和开裂需要引起足够的重视。

1.1  非线性疲劳损伤模型

Chaboche等提出的一维疲劳损伤演化方程^[9]为

            (1)

式中：为应力；D为损伤变量；N为疲劳荷载重复作用次数；，p和q为材料的损伤特性参数。损伤演化的过程可以理解为材料不断劣化，弹性模量不断减小，也就是本构关系不断改变的过程。在计算中，该模型命名为Chaboche损伤演化模型。

1.2  有限元实现

根据上述理论，运用Fortran语言编制子程序，通过子程序以代码的形式来扩展有限元主程序的功能，实现应力循环、用户材料子程序(UMAT)调用、损伤演化及计算等，疲劳损伤有限元分析流程如图1所示。

图1  疲劳损伤有限元分析流程图

Fig.1  Flow chart of finite element analysis for fatigue damage

1.3  模型参数

刚柔复合式路面是在弹性半空间地基上的混凝土弹性薄板上加铺沥青层的复杂结构^[10-11]。计算中其基准模型示意及主要参数取值如图2所示(其中：E为弹性模量；μ为泊松比)。

图2  计算模型示意及参数取值

Fig.2  Diagram for calculation model and parameters

根据国内外疲劳试验和相关文献研究结果^[7]，沥青混凝土的非线性损伤演化特性参数q取0，p取3.25，取7×10^-6。

2  沥青层疲劳损伤特性及开裂机理

目前，在南方地区修筑的混凝土路面由于地下水位较高，路基含水量偏高，基础支承刚度偏低，路面结构性能相对较差，易出现板底脱空、接缝(裂缝)传荷能力较差的情况，加上重车的反复作用，刚性基层接缝(裂缝)处的沥青层易出现疲劳开裂，并以反射裂缝的形式表现出来，直接影响刚柔复合式路面沥青层的使用性能和寿命。

2.1  沥青层损伤开裂机理分析

根据损伤力学理论，运用ABAQUS有限元软件及其二次开发平台进行仿真计算^{[8-9, 12]}，分析荷载作用下刚柔复合式路面沥青层的应力分布情况，研究刚性基层接缝(裂缝)处沥青层的损伤开裂机理。基准作用次数为3万次，用接缝模量来表征接缝传荷能力，基准接缝传荷能力为0.1 MPa。荷载作用位置示意如图3所示。

图3  荷载作用位置示意图

Fig.3  Diagram for Load position

2.2  层间界面拉应力分布情况

计算荷载作用一侧层间界面水平拉应力的分布情况，计算结果如图4所示。

图4  层间界面拉应力分布

Fig.4  Distribution of interlaminar tensile stress

从图4可见：在接缝传荷能力较差的情况下，在荷载作用一侧的沥青层底会受到拉应力，拉应力的持续存在导致沥青层底的相应位置会出现损伤开裂。

2.3  接缝延长线上拉应力分布情况

接缝延长线上拉应力分布情况如图5所示。由图5可知：在荷载作用1次后，接缝对应的沥青层底由于应力集中，受到较大的拉应力；随着损伤出现，沥青层底所受的拉应力不断减小，但拉应力仍然存在。可见：沥青层的开裂主要归因于其底面的弯拉应力；随着损伤演化继续，沥青层底出现损伤开裂，开裂后沥青层底受到的拉应力消失，在裂缝尖端处受到了拉应力作用，裂缝在荷载作用下沿尖端以张开型和剪切型的形式向上扩展，直至裂缝贯穿整个沥青层为止。

图5  接缝延长线上拉应力分布情况

Fig.5  Distribution of tensile stress on extension of joint

2.4  沥青层疲劳损伤的影响分析

建立有限元模型，计算分析接缝传荷能力、沥青层模量及地基支撑条件(土基模量)对接缝(裂缝)处沥青层疲劳损伤的影响规律，基准作用次数和接缝传荷能力与前面的相同。

2.4.1  接缝传荷能力对疲劳损伤寿命的影响

计算中，设接缝的模量为0.01，0.1，1，10，100和1 000 MPa，假定损伤度达到0.6时，微观裂纹形成过程结束，利用Chaboche模型分析接缝处沥青层微观裂纹形成的疲劳损伤寿命。计算结果如图6所示。

接缝传荷能力对沥青层的疲劳损伤影响显著，它决定了接缝处沥青层裂缝的起源、成因、扩展方向以及沥青层的疲劳断裂寿命。由图6可知：随着接缝模量的不断增大，接缝的传荷能力不断加强，沥青层的疲劳损伤寿命也不断提高，尤其是接缝传荷能力大于100 MPa时，接缝处沥青层底的损伤度大幅度减小；当接缝传荷能力大于1 000 MPa时，沥青层底由于接缝引起的损伤可不予考虑。

图6  疲劳寿命与接缝传荷能力的关系

Fig.6  Relationship between fatigue life and load transfer capacity at joint

2.4.2  沥青层弹性模量对疲劳损伤的影响

损伤度与沥青层弹性模量的关系见图7。从图7可知：随着沥青层弹性模量的增大，沥青层的损伤度不断增大，尤其是沥青面层弹性模量大于1.4 GPa时，模量每增加200 MPa，损伤度约增加55%。

图7  损伤度与沥青层弹性模量的关系

Fig7  Relationship between damage value and elastic modulus of asphalt concrete layer

考虑到刚柔复合式路面沥青层较薄，又有刚性基层作为承重层，车辙深度一般较小，建议在设计中选择弹性模量相对较小的沥青混合料。

2.4.3 土基弹性模量对疲劳损伤的影响

沥青损伤度与土基弹性模量的关系见图8。从图8可见：随着土基模量的增加，沥青层的损伤度不断减小；当土基模量从40 MPa增大到60 MPa时，损伤度约减少34%。因此，在复合式沥青路面修筑过程中，建议首先对土基进行处理，若土基模量较低，则建议用无机结合料进行处理；若土基含水量较大，则可用砂砾或碎石进行换填处理。

图8  损伤度与土基弹性模量的关系

Fig.8  Relationship between damage value and elastic modulus of soil base

3  沥青层反射裂缝的扩展分析

沥青层底在损伤开裂后，在外部因素的作用下，裂缝不断向上发展，并最终以反射裂缝的形式表现出来^[13]，严重影响刚柔复合式路面的耐久性，研究沥青层反射裂缝扩展的影响因素及规律具有重要意义。

根据断裂力学理论^[14]，运用ABAQUS有限元软件，建立应力强度因子与扩展时期、沥青层厚度、模量之间的关系，研究沥青层反射裂缝的扩展规律。除特殊说明外，计算模型中裂缝长度与沥青层厚度的比值为0.5，计算结果如图9~11所示。

3.1  扩展时期对裂缝扩展的影响

与裂缝扩展时期的关系见图9。从图9可见：在偏荷载作用下，沥青层反射裂缝的扩展强度随裂缝扩展而增大，且在裂缝扩展后期的增大幅度要明显地比前期的大。

3.2  沥青层厚度对裂缝扩展的影响

与沥青层厚度的关系见图10。从图10可见：随着沥青层厚度的增加，反射裂缝的扩展强度线性增加，但由于扩展路径加长，增加沥青层厚度会对反射裂缝的扩展起到延缓作用；当路径加长1倍时，强度因子增大16%。可见：增加沥青层厚度可以起到延缓沥青层反射裂缝扩展的作用。

图9 与裂缝扩展时期的关系

Fig.9  Relationship between and propagation period

图10 与沥青层厚度的关系

Fig.10  Relationship between and thickness of asphalt concrete layer

3.3  沥青层弹性模量对裂缝扩展的影响

与沥青层弹性模量的关系见图11。从图11可见：随着沥青层弹性模量增大，沥青层反射裂缝的扩展强度呈线性增大，但增大幅度并不大；模量每增加200 MPa，扩展强度增加4.5%左右。

图11 与沥青层弹性模量的关系

Fig.11  Relationship between and elastic modulus of asphalt concrete layer

综上所述，增加沥青层厚度对沥青层反射裂缝的扩展能起到很好的延缓作用。在刚柔复合式路面设计中，要结合层间剪应力和车辙等因素的影响，合理设计沥青层的厚度，沥青层厚度不能太薄，在工程实践中裂缝出现后要注意及时处理，以延长路面结构的使用寿命。

4  结论

(1) 在荷载的反复作用下，荷载作用一侧的刚性基层接缝(裂缝)处的沥青层易出现疲劳开裂。沥青层的开裂主要归因于其底面的弯拉应力，开裂后裂缝尖端处受到了拉应力作用，裂缝在荷载作用下沿尖端向上扩展。

(2) 随着接缝模量不断增大，沥青层的疲劳损伤寿命不断提高；随着沥青层模量的增大，沥青层的损伤度不断增大。建议在设计中选择弹性模量较小的沥青混合料。

(3) 随着土基模量的增加，沥青层的损伤度不断减小，若土基模量较低，建议用无机结合料进行处理；当土基含水量较大时，也可用砂砾或碎石进行换填处理。

(4) 沥青层反射裂缝的扩展强度随裂缝扩展而增大，且在裂缝扩展后期的增大幅度要明显比前期的大。

(5) 随着沥青层厚度的增加，反射裂缝的扩展强度线性增加，但由于扩展路径加长，增加沥青层厚度会对反射裂缝的扩展起到延缓作用。随着沥青层弹性模量的增加，沥青层反射裂缝的扩展强度呈线性增加，但增加幅度并不大。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-09-22；修回日期：2012-11-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178062，51038002)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2012AA112504)；湖南省高等学校科学研究项目(12C0014)；教育部博士点基金资助项目(20114316110001)；特殊环境道路工程湖南省重点实验室开放基金资助项目(kfj110401)

通信作者：李盛(1980-)，男，内蒙古集宁人，博士，讲师，从事道路工程研究；电话：0731-85258255；E-mail: lishengttt@163.com