（道路与铁道工程专业论文）复合式路面反射裂缝机理与防治措施研究.pdf

摘要 随着复合式路面的不断建成和投入使用，在交通荷载和温度荷载的重复作用 下，反射裂缝已经成为复合式路面一大病害。反射裂缝的出现，不仅影响路面的 美观和行车舒适性，更大大缩短了路面的使用寿命。本文对复合式路面反射裂缝 机理以及防治措施的路用性能进行了相关研究。 首先，基于线弹性断裂力学原理，采用有限元软件，建立二维的实体模型模 拟路面结构，分析行车荷载和温度荷载作用下，裂缝尖端应力强度因子的变化规 律及结构参数对应力强度因子的影响规律。 其次，基于断裂力学原理，利用采用有限元软件，分析行车和温度荷载作用 下夹层对裂缝尖端应力强度因子的影响规律。 最后，在参考国内外相关研究成果的基础上，对橡胶沥青应力吸收层进行了 配合比设计和性能对比研究。试验结果表明，橡胶沥青应力吸收层具有良好的高 温稳定性、低温稳定性、水稳性能，其中，a r - s m a - 5 的性能最优、a r a c 一5 和 s b s - s m a - 5 不相上下。 关键词：复合式路面反射裂缝应力强度因子橡胶沥青应力吸收层 a b s t r a c t w i t hc o m p o s i t ep a v e m e n t sh a v i n gb e e nb u i l ta n db e i n gp u ti n t ou s e ， r e f l e c t i o nc r a c kh a sb e e no n eo ft h em a j o rm o d e so fd i s t r e s s e si nc o m p o s i t e p a v e m e n td u r i n gr u n n i n gb yt h ep e r i o d i c a l l yc h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dr e p e a t e d t r a f f i cl o a d s r e f l e c t i o nc r a c kn o to n l yi n f l u e n c e st h er o a da p p e a r a n c ea n dd r i v e c o m f o r t , b u ta l s om o s tg r e a t l ys h o r t e n st h es e r v i c el i f eo fr o a ds u r f a c e t h em e c h a n i s ma n dt h ep e r f o r m a n c eo fa n t i - c r a c km e a s u r eo fr e f l e c t i o n c r a c ko fc o m p o s i t ep a v e m e n ta r es t u d i e d 。 f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rb a s eo nl i n e a re l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ，a n dt a k ef i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e ，a n ds e tu pt w o d i m e n s i o nm o d e lt os i m u l a t ep a v e m e n t s t r u c t u r e ，a n da n a l y s e st h ec h a n g e so fs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro nt h ec r a c kt i pa n d s t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa f f e c tt h e s t r e s si n t e n s i t yf a c t o ri nv e h i c l el o a da n d t e m p e r a t u r el o a d s e c o n d l y , t h ep a p e rb a s eo nf r a c t u r em e c h a n i c s ，a n dt a k ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，a n a l y s e st h ei n t e r l a y e ri n f l u e n c e st h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro nt h ec r a c k t i pi nv e h i c l el o a da n dt e m p e r a t u r el o a d f i n a l l y ，b a s e do ns t u d y i n go nr e l a t e dr e s e a r c ha c h i e v e m e n tb o t hi na n d a b r o a d , t h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g no fa s p a h l t - r u b b e rs t r e s s - a b s o r b i n gl a y e ri s c a r d e do u t ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei s c o m p a r a t i v e l ys t u d i e d t h et e s t r e s u l t s i n d i c a t et h a tt h er u b b e r a s p h a l ts t r e s s a b s o r b i n gl a y e rh a st h eh i g h 、l o w t e m p e r a t u r ea n dw a t e rs t a b i l i t y , o fw h i c h , a r - s m a 一5h a st h eb e s tp e r f o r m a n c e t h a na r - s m a - 5a n ds b s - s m a - 5 ，t h ep e r f o r m a n c eo fa r - a c 一5a sw e l la s s r s s m a 5 k e y w o r d s ：c o m p o s i t ep a v e m e n t ；r e f l e c t i o nc r a c k ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ； a s p a h l t - r u b b e ；s t r e s s - a b s o r b i n gl a y e r 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 孙涛 日期：刚年j 6 7 月b 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：飘寿 日期。峭年6 月1 3 日 指导教师签名：奴晤 日期：声年占月马日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：羚妊 日期：呻年己月、3 日 指导教师芋名：疆乏1 弓 日期：c ) a 寸年名 月 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，由于车辆的大型化和交通量的急剧增加使得交通荷载的不断增大， 从而导致沥青路面车辙和早期破坏( 使用年限达不到设计年限的三分一以上) 以 及水泥路面断板现象日益突出。于是，一种新型的路面结构形式复合式路面 逐渐引起了人们的注意。所谓复合式路面，是指面层由水泥混凝土板( c c ) 及板 上沥青混凝土( a c ) 构成，或由水泥混凝土板构成的路面结构n 3 。本文主要研究 刚柔复合式路面。 刚柔复合式路面，能充分发挥水泥混凝土路面承载力高、耐久性好，沥青路 面行车舒适、噪声低，维修方便等优点，还能克服沥青路面抗车辙能力差，容易 破坏等缺点，除能增加路面结构自身强度外，还使路面长时间保持面层的平整度、 抗车辙、耐磨损、抗开裂、抗滑性和耐水破坏等使用功能。这样不但可提高汽车 行驶的舒适性，减少耗油、轮胎磨耗及机械磨损，还降低了运输成本。 复合式路面的刚性基层像水泥混凝土路面一样容易在温度、荷载等因素的反 复作用下产生一些裂缝。从当前的初步实践可以看出，混凝土板缝所造成的反射 裂缝是复合式路面面层最主要的裂缝形式；在行车道与超车道之间出现的板缝常 常会反射到沥青面层上；而非板缝纵缝通常发生在行车道外轮迹处，超车道处几 乎没有。刚性基层产生裂缝，从而使复合式路面的沥青混凝土面层产生反射裂缝， 是复合式路面一大病害。反射裂缝的出现将影响道路的路容美观，降低服务水平， 缩短路面的使用寿命。因此，在复合式路面结构设计中，防治沥青面层的反射裂 缝是一个很重要的问题。 ， 与国外相比，我国对复合式路面的研究相对薄弱，还未系统地解决如何控制 反射裂缝的产生和发展，如何合理确定复合式路面各结构层厚度等一系列问题。 我们对复合式路面已经进行了几十年的研究，但至今仍未有公认的合理可行的设 计方法。各地交通、气候以及筑路条件的差异，直接导致其研究成果之间缺乏共 识，给设计及施工部门的具体操作带来了极大的不便。本文在前人研究的基础上， 继续对复合式路面反射裂缝产生机理、反射裂缝产生和扩展的影响因素、反射裂 缝防治措施等方面做进一步研究。 1 2 国内外研究概况 自从2 0 世纪3 0 年代以来，反射裂缝一直为各国道路研究者所关注，并且开 2 第一章绪论 展了多方面的研究，主要集中以下3 个方面：反射裂缝的力学分析方法、产生机 理及其防治措施。 1 2 1 反射裂缝的力学分析方法 在反射裂缝产生和发展机理的理论分析方面，国内外研究者先后采用过静力 平衡模型、断裂力学模型、平面应变有限元模型、半解析单元力学模型、三维有 限元分析模型、断裂力学模型有限元分析方法、钝滞断裂带+ 有限元分析方法等。 由于本研究主要采用线弹性断裂力学理论分析反射裂缝的产生的原因和发展机 理，因此在这主要介绍线弹性的断裂分析方法。 众所周知，弹性力学理论假定整个构件的体积都被组成这个构建的介质所充 满，不留下任何空隙。这个理论可以分析一般的路面结构形式，但是对于存在裂 缝的结构，若采用基于连续假定的弹性力学假定，就会出现裂缝尖端的应力无穷 大，这显然是不可能的。因此，要想从本质上反映裂缝尖端应力场的奇异性，就 必须引入断裂力学理论。应用断裂力学分析反射裂缝问题，可以更好的反映路面 结构的实际受力状态。虽然研究者先后尝试过线弹塑性断裂力学、界面断裂力学 及疲劳断裂力学来分析反射裂缝问题，但是由于相应的断裂力学发展不是很成熟， 所以大多数的应用仍基于线弹性断裂力学理论。 1 9 7 6 年，美国德克萨斯州理工大学h u n g - s u n ，c h a n g 和l y t t o n 等人h 1 曾用粘 弹性理论和断裂力学的方法分析了沥青罩面层内温度裂缝的情况。首先，他们用 粘弹性理论计算了罩面层和旧沥青路面的温度应力，提出了路面在温度应力作用 下裂缝形成和扩展模型：随后，用有限单元法计算了裂缝尖端的应力强度因子。同 年，美国m s l u t h e r 又用有限元法分析了行车荷载作用下路面的开裂模式。他认 为，在行车荷载下，任何罩面裂缝都将闭合。 1 9 8 0 年美国加州大学的m o n i s m i t h 和c o e t z e e 用平面有限单元法，以有效应 力为标准，研究了沥青路面开裂后在交通荷载和温度荷载作用下裂缝附近的应力 分布，同时分析了橡胶沥青夹层在防止反射裂缝中的作用。他们认为，反射裂缝 主要是由于下卧基层开裂后的水平和垂直位移引起的。同时还指出，松软的中间 夹层具有削减裂缝尖端应力集中现象的潜力。 1 9 8 7 年，j a y a w i c k r a m a 运用断裂力学与弹性地基梁理论，并结合裂缝扩展的 p a r i s 定律预估了沥青罩面的疲劳寿命。1 9 9 3 年l y t t o n 等人在s h r p 计划沥青路 面性能研究中，应用断裂力学原理分析了沥青路面的开裂问题。 在国内也有大量学者进行了这方面的研究，主要集中在反射裂缝产生机理及 防治措施这两个方面。 第一章绪论 3 同济大学周富杰在其博士论文中，对水泥路面沥青罩面的反射裂缝问题进行 了系统研究，采用三维有限元法和断裂力学理论，分析了沥青罩面的荷载应力及 在荷载作用下的应力强度因子，提出了车辆荷载引起的反射裂缝的产生、发展机 理。 郑健龙，关宏信等采用热粘弹性有限元理论，计算了在持续大幅降温条件下， 开裂水泥混凝土路面上沥青罩面层内温度应力场，总结了降温速度、降温幅度对 罩面应力的影响，分析了罩面反射裂缝产生的原因，同时探讨了土工格栅的防裂 效果嘲。 孙雅珍，赵颖华采用粘弹性有限元法，建立温度场与荷载场藕合作用的三维 有限元模型，模拟半刚性路面的反射裂缝发展情况，计算了平均损伤因子和裂缝 长度的改变量随加载时间和变温的变化，模拟了裂缝的实际扩展情况，得到了不 同加载时间和不同变温情况的粘弹性解。 1 2 2 反射裂缝机理 1 反射裂缝的产生 目前普遍认为，温度应力引起了反射裂缝的产生，并参与了初期的扩展；荷 载应力( 主要是偏载作用，正荷载的影响很小) 加速了裂缝的进一步扩展。在分 析裂缝的产生和发展时，应考虑温度应力和荷载应力的作用。一般反射裂缝可分 为荷载型裂缝和非荷载性裂缝两种类型，其中非荷载性裂缝主要是温度型反射裂 缝，它是由温度变化引起的反射裂缝；荷载型反射裂缝是由车辆荷载引起的裂缝。 温度型反射裂缝：外部环境对基层板温度的影响可以按日变化温度和年变化 温度来考虑，在年变化温度作用下，由于作用周期长，沥青面层的顶面和底面温 度比较接近。在寒冷的季节，基层板产生收缩变形，在沥青层内产生拉应力；在 炎热的夏季，基层板膨胀，在沥青层内产生压应力。但是在实际道路中，温度应 力和荷载应力是耦合在一起的，随着温度变化和车辆荷载的重复性作用，裂缝尖 端的应力超过沥青混凝土的极限抗拉强度时，裂缝就逐渐向上发展。 荷载型反射裂缝：行车荷载经过裂缝处的时候，在沥青面层中产生应力作用 可分为3 个过程：1 ) 荷载位于裂缝一侧时，裂缝两侧产生较大的相对位移，在沥 青面层中产生较大的剪切应力：2 ) 荷载位于裂缝顶面的时候，裂缝两侧无相对位 移或相对位移很小，沥青面层主要承受弯拉应力作用；3 ) 荷载驶离裂缝时，在面 层内产生与第一次方向相反的剪应力，在整个过程中受到两次剪切，一次弯曲， 而且是连续的。 2 反射裂缝的发展 4 第一章绪论 传统的强度理论认为，当沥青面层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的 极限抗拉强度的时，沥青面层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青面层中的 反射裂缝从其产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展的阶段，即反射裂 缝在沥青面层厚度方向上的纵向扩展和沥青面层表面上的横向扩展瞳1 。断裂力学 认为，裂缝的扩展有3 种模式；张开模式、剪切模式和撕裂模式。其中温度应力 对反射裂缝的影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝的主要模式是张开模 式和剪切模式。当荷载经过裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝，当荷 载驶在裂缝之前或之后时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在沥青面层中一 般不会出现。 ( 1 ) 反射裂缝的纵向扩展 温度型反射裂缝通常产生于沥青面层的底部，而后向上逐渐扩展到面层顶面。 r i g o 等人应用s a p l l 5 程序模拟温度应力作用下反射裂缝的扩展路径，几乎是垂 直向上扩展的，但当气温非常低时，h a s s 认为，裂缝先产生在面层的顶面和底面， 而后向面层中间扩展口1 。对于正载作用下的张开模式所对应的反射裂缝，一般产 生于面层的底面并且在周期性荷载的作用下垂直向上发展。在偏荷载作用下，反 射裂缝以剪切模式在沥青面层中向上扩展，r i g o 等人对其扩展路径进行了分析， 认为裂缝在沥青面层中是沿4 5 。角的方向向上发展。当行车荷载和温度应力共同 作用时，r i g o 等人的分析结果显示，裂缝的扩展介于偏载应力和温度应力单独作 用时裂缝扩展路径之间，比偏载作用时的裂缝扩展的途经更垂直一些。 ( 2 ) 反射裂缝的横向扩展 通常反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度，除非在荷载和温度应力的 作用下，裂缝的长度已经等于或大于相对整个路面宽度的临界长度( 这里的临界 长度是指当裂缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且不稳定) 。较 为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后向两侧扩展。一般情 况下，反射裂缝多出现在裂缝处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内 的影响都是相同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在行车道上，尤其是在渠 化交通的路面上。 与面层开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水分的侵 入、氧化及行车荷载的反复作用，常常使得反射裂缝加速向四周扩展，即使裂缝 贯穿整个路面宽度，但在不出现唧泥的情况下，也不会立刻影响到行车的舒适性， 而是会加速整个路面的破坏。因此，如果基层与面层之间采用有效的防裂措施， 就可以延缓反射裂缝出现在沥青面层顶面。 第一章绪论 5 1 2 3 反射裂缝的防治措施 复合式路面的刚性基层比半刚性基层会产生更大的干缩和温缩裂缝，因此， 在复合式路面结构中应采取防反射裂缝的措施以保护沥青面层不至于因为基层开 裂而反射到沥青面层表面。研究表明，在基层和沥青面层之间铺设大粒径沥青碎 石、级配碎石、应力吸收层等中间结构层都能有效防止反射裂缝，但各种处治措 施在复合式路面中的适用性尚需进行比较分析。目前，国内外常用的抗反射裂缝 措施主要有： 1 增加沥青层厚度 采用较厚( 大于1 5 c m ) 的沥青面层，一方面可以增加路面结构的弯曲刚度， 减少层内的弯曲应力和剪切应力；另一方面，裂缝从底面反射到顶面需要经历的 距离变长，这样可以延缓甚至阻止反射裂缝的产生，延长路面的使用寿命。国内 外的一些工程实践也表明，采用较厚的沥青面层对延缓基层反射裂缝有较好的作 用。比如，我国修建的半刚性基层沥青路面沥青面层采用1 5 2 5 c m ；日本东名高 速采用2 5 3 0 c m ；奥地利b r e n n e r 高速公路采用4 0 c m ，这些都取得了良好的效果， 但经济性不高。 2 应力吸收层 通常采用高弹性聚合物改性沥青和特殊级配集料组成的一种具有高弹性、不 渗透性、柔韧但高温性能很好的沥青混合料层设置在刚性基层与沥青面层之间， 其厚度为1 0 5 0 姗，模量为i o 一- - i o o m p a 。其作用是改善沥青混凝土和水泥混凝土 基层的层间结合状况，从而减少反射裂缝，同时也减少应力集中现象，减少荷载 作用应力。 应力吸收层在结构中可以将向土传递的应力( 刚性基层裂缝处产生的集中应 力) 分散在较大的面积。应力经应力吸收层分散以后，可以延缓沥青面层产生反 射裂缝的时间，而且应力经分散后可使面层分散裂缝也分散，不再集中在刚性基 层的裂缝处。同时，由于应力吸收层的柔韧性，尽管裂缝向上反射，但应力层本 身不会断裂，在一定程度上保护了沥青面层。应力吸收层设计原理是利用高弹性 聚合物材料吸收水泥混凝土板温度和行车荷载应力，并消散水平和竖向位移，同 时防止表面下渗，保护底基层或垫层及路基。因此，应力吸收层不但可以延缓反 射裂缝，还可以消减行车荷载在水泥混凝土板接缝处产生的位移对沥青面层的疲 劳破坏，以及防止水对刚性基层以下结构层及路基的侵蚀作用，这些都是目前其 他防治反射裂缝方法所不可比拟的。 3 土工织物 采用聚丙烯或者聚酯织物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺织物及玻璃纤维等， 6 第一章绪论 置于沥青层底，对沥青层起加强作用，而且也是一种防水层。所用粘层沥青必须 能填充织物的孔隙。当基层接缝较宽，又未填封，便不会有足够的沥青渗入织物， 织物也就起不到防水的作用。土工织物的物理力学性质，如抗腐蚀、耐热、抗拉 强度、顶破与撕裂强度以及变形特性等，应满足路用性能的要求。 4 大粒径沥青碎石层 为减少刚性基层上沥青面层的反射裂缝，可设置开级配大粒径沥青碎石层， 该层可以作为沥青面层的下面层。沥青碎石层厚度应与集料最大粒径相匹配，压 实成形后空隙率为1 5 , - - - , 2 0 。由于空隙率大，使得发生在裂缝处的应力和位移得 以消散，从而减少了反射裂缝的产生或延缓了反射裂缝的扩展速度。这种结构实 践证明效果良好。 5 锯切横缝 在沥青面层上，在混凝土基层的接缝位置锯切横缝，在横缝内填入封缝料， 保持有效地密封。防止水或异物进入，从而来延缓反射裂缝向上扩展的速度。在 二十世纪九十年代，美国东北部1 2 个州的锯缝和灌缝的工程实践表明，这种方法 效果较好，但要求对横缝进行有效密封，否则会引起其他病害。 在国内，长安大学与山东省交通厅公路局曾合作进行水泥混凝土路面加铺技 术，特别是混凝土沥青加铺层抗反射裂缝措施及其机理进行了深入研究。目前， 国内外虽然没有完全掌握反射裂缝的产生和发展机理，无法从根本上消除反射裂 缝，但工程实践表明，采用应力吸收层、开级配沥青碎石混合料等结构层基本上 可以大幅延缓甚至消除反射裂缝的产生，可以为建设复合式路面提供借鉴。 1 3 本文研究的主要内容 本文在总结和吸收前人研究成果的基础上，采用断裂力学原理对复合式路面 反射裂缝的形成和扩展进行了分析。在理论分析及有限元计算的基础上，推荐复 合式路面的反射裂缝防治措施。 本文研究的主要内容： 1 对断裂力学的基本理论及其数值计算方法进行较为详细的讨论，包括裂纹 尖端应力奇异性、弹性平面裂纹的裂纹渐进场、断裂准则以及裂纹疲劳扩展理论 触 守o 2 基于断裂力学原理，利用a n s y s 分析行车荷载作用下裂缝尖端应力强度因 子的变化规律及各个参量对应力强度因子的影响。 3 基于断裂力学原理，利用a n s y s 分析温度荷载作用下裂缝尖端应力强度因 子的变化规律及各个参量对应力强度因子的影响。 第一章绪论 7 4 基于断裂力学原理，利用a n s y s 分析行车和温度荷载作用下夹层对裂缝尖 端应力强度因子的影响，并通过室内试验对橡胶沥青应力吸收层进行了配合比设 计和性能等研究。 8 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 第二章复合式路面沥青面层断裂破环机理 2 1 反射裂缝的产生机理 引起复合式路面开裂的原因较为复杂，开裂的主要形式课分为两大类，即荷 载型裂缝和非荷载型裂缝。影响裂缝轻重程度的主要因素有沥青面层厚度、沥青 和沥青混合料的性质、基层材料性质、基层材料性质、气候条件( 特别是冬季气 温及其变化幅度) 、交通量、车辆类型以及施工等。 荷载型裂缝主要是由于行车荷载作用而产生的裂缝。在行车荷载的反复作用 下，基层裂缝顶部沥青面层层底产生应力集中现象，并且在车轮偏荷载作用下， 基层裂缝两侧产生弯沉差，引起沥青面层的剪切破坏，并逐步向上扩展，形成荷 载型反射裂缝。 非荷载型裂缝主要温度和干缩裂缝。由于水泥混凝土基层刚度大，受温度影 响产生裂缝。温度变化使得路面结构产生两种变形：第一种是由于温度下降使基 层裂缝处沥青面层及水泥混凝土基层产生收缩引起的张开型反射裂缝；第二种是 由于四季及昼夜温差导致温度在各个结构层中的不均匀分布，而不同材料具有不 同热膨胀系数，导致水泥混凝土基层和沥青面层的收缩及翘曲而产生的反射裂缝， 以及水泥混凝土基层完工之后由于水分变化而产生的干缩裂缝。这些裂缝在交通 荷载、环境因素综合作用下，逐渐扩展并延伸至沥青面层，形成反射裂缝。 工程实践表明，在北方或气温变化较大的地区，过薄的沥青面层加铺在未开 裂的水泥混凝土基层上，水泥混凝土的温缩裂缝会引起沥青面层产生反射裂缝， 从而使沥青面层的裂缝明显增多虽然反射裂缝本身对沥青面层使用性能影响不 大，但裂缝一经出现，水分便乘机而入，水分的侵入不仅会冲刷基层，造成沥青 表明的唧浆，而且还会渗入底基层，湿软底基层和土基，使得整个路面结构承载 力下降，引起路面的进一步开裂并迅速恶化，导致沥青面层结构的早期破坏，大 大缩短复合式路面的使用寿命。因此，防止反射裂缝是复合式路面结构面临的一 大难题。 导致复合式路面反射裂缝形成的因素较为复杂，不论是单一因素或者多种因 素综合作用所引起的反射裂缝通常经历三个阶段：起裂阶段、稳定扩展阶段、破 裂阶段1 4 1 。 1 反射裂缝的起裂 水泥混凝土基层开裂后，整个路面结构体系的边界条件发生了变化。由于裂 缝的存在，路面结构在外加荷载作用下产生的应力和位移在基层裂缝处不在连续， 尤其是在裂缝上面的沥青面层底部( 如图2 1 ) 会有很大的应力集中，这是裂缝继 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 9 续向沥青层传播的根本原因。方便起见，常常把温度变化引起的反射裂缝称为温 度型反射裂缝，相应地，把行车荷载引起的反射裂缝称为荷载型反射裂缝。反射 裂缝是沥青面层早期破坏的根源，它破坏了路面结构的完整性，缩短了路面的维 修周期，减少了路面的服务年限。 4 1 m u l l - 埘糊冈l 朗嚏 一，。画，厨 张开型鞋麓( i 型) d 舅切壁裂麓1 i 霉dc ) 撕开挺爱缝( m 塑) 图2 2 裂缝扩展模式 f i 9 2 2 c r a c k e x p a n d i n gm o d e 1 0 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 对于正荷载作用下的张开位移模式所对应的反射裂缝，一般产生于面层的底 面，再周期性荷载的作用下垂直向上扩展。b r o w n 和c a l t a b i a n o 等人的室内试验 都证实了裂缝的这种扩展模式。再偏荷载作用时，反射裂缝以剪切模式再面层中 向上扩展，r i g o 等人对其扩展路径进行了分析，认为裂缝再面层中是沿4 5 。角方 向向上扩展的。 当车轮荷载( 偏荷载) 和温度应力共同作用于复合式路面结构时，r i g o 等人 的分析结果显示，裂缝的扩展介于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之 间，比偏荷载作用时的裂缝扩展路径更垂直一些。 3 破裂阶段 裂纹的扩展导致有效的承载面积不断减小，造成材料模量( 劲度) 和强度逐 渐下降，再反复作用一定次数以后导致路面破坏。沥青面层经过一段时间的运营， 尤其是在冬季和昼夜温差大的季节沥青面层表面开始出现裂缝。反射裂缝出现初 期对路面的使用性能影响不大，但随着雨水或雪水的侵入，裂缝两侧的路面结构 层，特别是裂缝附近的土基含水量加大，甚至饱和，造成路面结构的承载能力明 显降低，在大量行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，导致裂缝两侧路面 面层碎裂并出现较大的垂直相对位移，影响路面的使用性能，缩短路面结构的使 用寿命。 2 2 反射裂缝扩展力学分析原理 传统的路面结构应力分析往往是针对连续完整的、无缺陷的结构体系进行的， 并没有考虑材料、路面结构内部先天存在的缺陷或使用期内逐渐出现的缺陷对路 面造成成的不利影响，这使得运用传统的疲劳力学理论与方法对复合式路面结构 进行计算和分析时与实际情况存在偏差。按照断裂力学的观点，可以认为沥青面 层的破坏正是由于水泥混凝土基层裂缝或接缝这种原始缺陷的存在而引起沥青面 层的应力集中与内部损伤，当其超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了 沥青加铺层裂缝的发展，并导致结构的破坏。 2 2 1 弹性平面裂纹的裂纹渐进场 图2 3 示以平面裂纹，坐标原点o 选在裂尖，x ，y 为直角坐标，r ，乡为极 坐标。求裂尖渐进场时，可以解一个具体问题，如无限远处承受均匀荷载的无限 大板中的裂纹，然后把精确解再裂尖处做渐进分析，可得该问题的确定的渐进解 的表达式；但更方便的是把裂尖渐进场问题看成是一本征值问题，求得渐进解， 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 l l 而解中的某些常数留待外场条件确定嘲。 图2 3 平面裂纹 f i 9 2 3 p l a n ec r a c k 1 弹性力学平面问题 极坐标中的基本方程： 几何方程 q = 挈o r ，岛= 吾等+ 争，= 2 = 吾等一等+ 掣o r 平衡方程 ro 移rro 廿r o rr + 土塑立：o 篮+ ! 堕+ ra8 j a rr80 本构万栏 。= 击p ，一v l 仃e ) = 去【( 鬈+ l 涉，一( 3 一r p 口】 _ 一2 瓦1 、o p 叫q ) = 掣= 石1 仃埘 协调方程 吾等嘛) + 7 1 丽a 2 6 ，一7 1i 0 6 r 一；2a ! ，o 驯e r o ) = 。 对平面应力问题 吒= o ，乞= 一旦1 - v o r + s o l e i = e , o i = o , i r = ( 3 一去) 2 0 ，一 = 0 1 2 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 对平面应变问题 乞= o , o r z = u ( o r + 0 0 ) e 1 = f e 丁， 、一u。一3 一q 旷而2 焉 对两种情况都有 土：旦：2 g 1 + a l 1 + d 边界条件可写为 o r ，c o s + 仃坩s i n= t o r , o r 坩c o s 6 t + 仃口s i n a = t 0 0 在s 口上 z ，= l o tz f 口= 0 0 在瓯上 上列诸式中的记号相同，其中口为边界上，的方向到外向法线方向的夹角，t o 分 别为边界上规定的面力和位移矢量。 2 裂缝尖端奇异性 对含有裂纹的二维弹性力学问题，可采用复变函数法、积分方程法以及权函 数法等进行分析求解。应用w e s t e r g a a r d 应力函数，即可求得裂纹尖端区域的应 力场和位移场。 在水泥混凝土接缝处的沥青加铺层会有应力集中，出现应力奇异点，其应力 值远高于无裂缝相同点处应力，从而导致接缝处沥青面层底部出现裂缝，裂缝向 上扩展最终贯穿路面结构。由弹性问题的解析函数方法得知线弹性断裂力学中i 、 i i 、m 型裂缝尖端奇异场为： i 型裂缝： 盯。：善c o s 皇，1 一s i l l 旦s i n 翌1 1 2 刀 2l2 2 旷击c o s 知幽罢s i n 詈) k t9 93 9 f 。，= 圭s m c o sc o s 掣4 2 = 222 甜= 鲁闫陆1 ) c 。s 知s 萼l v = 鲁闼阶) s i n 扣n i 3 0l 式中：嘶裂缝弹性体的剪切模量5 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 1 3 ，秒一以裂缝尖端为坐标原点的极坐标； k 。一i 型裂缝问题的应力强度因子，对于含2 a 长的中心裂缝的无限 大板， c ，= 仃杉一( 硝远场拉力强度) 。 儿型裂缝2 吒一去c o s 知c o s 詈c o s 詈) k h 9 03 0 仃y2 意3 m j 瞄j 淞了 = 去c o s 舟s m 詈s 证警) 甜= 石k i i 压rp 3 硒詈础了3 0 一嘉闫防3 ) c o s 詈詈l 式中：一型裂缝问题的应力强度因子，对于含2 a 长的中心裂缝的无限 大板， k = f 翮( 沩远场剪力强度) 。 其它参量同i 型裂缝问题。 i 型裂缝： 妒一去咖詈 = 一蓿k mc o s 詈 w ：鱼，仁s i i l 旦 gv2 7 r2 式中：k - - i i l 型裂缝问题的应力强度因子，对于含2 a 长的中心裂缝的无限 大板，k = 钇( z i o 为远场横向剪力强度) 。 其它参量同i 型裂缝问题。 在上述各个应力分量( 应变) 表达式中都包含了，。1 坨项，使得当，_ 0 时 它们均趋于无穷大，这是裂缝尖端附近弹性场的一个重要特征，称之为应力应变 奇异性，或称这个场为奇异场。但实际上由于沥青面层材料具有一定的韧性，因 1 4 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 而尖端会产生塑性变形区，塑性区的出现使裂缝尖端应力重分布，从而导致尖端 应力在一定程度得到松弛，但仍有较大的应力集中。 2 2 2 断裂准则 利用弹性力学方法，可以求出裂纹前端内应力场的具体表达式。从裂缝尖端 奇异性和弹性体中传播裂纹的端部计算公式可以看出，裂纹尖端附近弹性场常参 量应力强度因子k 表示了在外荷载作用下的断裂弹性构件裂纹尖端的力学性状， 它把影响裂纹尖端性状的各种因素综合为裂尖应力应变场强度集中的表现出来， 以数值表示了不同裂纹尖端趋向开裂的严重程度。由弹性体中静止裂纹和传播裂 纹的端部场的表达式可以看出，在构件、裂纹、加载方式等确定以后，k 值增大 到一定程度时必然会导致沥青加铺层的断裂破坏。对同一材料的不同构件，若以 同一种开裂形式加载，且处于同一种应力状态下，那么它们断裂时的k 值是相同 的。这一k 值自然是一种临界值。把i 型裂缝处于平面应变状态下的这一临界值 以k 矿表示，平面应力状态下以k r 表示，把裂缝方式断裂破坏时的快速扩展现象 称之为失稳扩展，那么k 准则可以叙述为：当裂缝尖端应力强度因子k 达到某一 临界值时k 。c 或磁时，裂缝发生失稳扩展；或表示为：当k 。- - k 。c ( 平面应变) 、 k 。= k r ( 平面应力) 时裂缝发生失稳扩展口朝。 断裂判据中的k 是裂纹产生和扩展的驱动力，与裂纹的尺寸、裂速、所研究 结构的几何形状以及加载方式有关。由于裂纹的尺寸是时间函数，因此k 也表现 为时间函数。k k r 为给定材料的裂纹产生和扩展的阻力，一般来说，它们是 材料特性，由试验测出。k i c 、磁与k 。的关系相当于材料强度极限、屈服强 度盯。与应力仃之间的关系。因此，影响断裂韧性的因素应该是沥青面层材料的固 有特性。 断裂力学承认材料或构件中不可避免地存在裂缝或类似裂缝状的缺陷。k 准 则就是基于这一假设的一种强度理论。用这种强度理论所确定的构件极限应力一 般小于叽或盯。，对于i i 型裂缝问题有类似的判别式。 应力强度因子k 和动态应力强度因子k ( f ) 与材料的临界应力强度因子砰是 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 1 5 两种不同的概念。前者是由外荷载引起的反映力学效应( 即裂缝尖端领域应力强 弱) 的一个参量，后者是反映材料性能的一个参量。 2 2 3 应用疲劳断裂力学分析反射裂缝问题 近几年来，随着线弹性和粘弹性断裂力学理论的发展及其在工程实际中的广 泛应用，路面结构中的裂缝扩展问题研究在公路界得到了应有的重视。美国俄亥 俄州立大学和德克萨斯m a t 大学通过大量的理论分析和试验研究，并结合实际工 程应用的调查分析，证实了断裂力学原理在预测沥青混凝土混合料的疲劳寿命方 面的适用性。其研究结果表明，使用p a r i s 和e r d o g a n 对金属材料建立的裂缝扩 展规律可以预测在沥青混凝土中裂缝扩展的速率。 根据疲劳断裂力学理论，结构的疲劳断裂扩展寿命取决于结构内部初始裂缝 长度a 0 、临界裂缝长度a c 。与构件的疲劳裂缝扩展特性。构件的疲劳裂缝扩展特 性则由下述因素决定：构件所经历的应力( 荷载) 一时间历程，即应力( 荷载) 谱；相 应于构件几何形状与裂缝形态的应力强度因子；对应于构件的材料与有关环境的 基本裂缝扩展速率：应力( 荷载) 谱作用下的裂缝扩展计算方法。 1 疲劳裂缝扩展速率。 在循环荷载作用下，裂缝长度a 随荷载循环次数n 的增大而加大，典型的a 州 变化曲线如图2 4 所示。 疲劳裂缝扩展速率d a d n ，随荷载每循环一次所对应的裂缝扩展量，在疲劳 裂缝扩展过程中d a d n 不断变化，显然，每一瞬间 的d a d n 即为a - n 曲线在该点的斜率。 疲劳裂缝扩展速率d a d n 受裂缝前缘的交变应 “ 力场控制，主要用如下两个参量描述： ( 1 ) 裂缝尖端的交变应力强度因子范围 a k ( a k = k 一一k “。) 足一为交变荷载的最大荷载作用下在 裂缝尖端产生的应力强度因子；k 响为交变荷载 0n 1 6 第二章复合式路面沥青面层断裂破坏机理 最小荷载k 作用下在裂缝尖端产生的应力强度因子。丛是d a d n 的最重要和最 基本的参量。因此，通常d a d n 均表示为a k 的函数。 ( 2 ) 交变荷载的荷载( 应力) 比r 似= p 血屈一= 盯曲盯一= k 曲k 一) 当r o 时，相同k 对应的d a d n 通常随r 的增大而增大。 当r b ( 面层模量) c ( 基层厚度) d ( 基层模量) ( 2 ) 正交表的方差分析 一般而言，直观上可通过正交表的极差分析，用每个因素在各水平上试验值 的平均数，考察此因素对试验结果的影响。但怎样判定哪个因素对试验结果影响 显著，哪个因素对试验结果影响不显著，直观上无法确定，而要用方差分析法。 对表所示试验结果进行方差分析，其结果如表3 6 所示。 表3 6正交表的方差分析 t a b3 6v a r i a n c ea n a l y s i so f t h eo r t h o g o n a lt a b l e 考核 离差平方自由度方差 指标 方差来源f 值显著性 和s sd f i s a ( h e 层厚度) 0 0 0 1 7 040 0 0 0 4 2 53 2 6 9 2 3 b ( a c 层模量) 0 0 0 0 2 84 0 0 0 0 0 75 3 8 4 6 c ( c c 层厚度) 0 0 0 0 2 340 0 0 0 0 5 84 4 6 1 5 k d ( c c 层模量) 0 0 0 0 2 94 0 0 0 0 0 7 35 6 1 5 4 e ( 地基模量)0 0 0 0 2 340 0 0 0 0 5 84 4 6 1 5 f ( 空列) 0 0 0 0 0 540 0 0 0 0 1 3 注：f 0 9 0 ( 3 ，3 ) = 5 3 9 ，f o 9 5 ( 3 ，3 ) = 9 2 8 正交表中，空列的列变动平方和就是误差平方和，因素列的列变动平方和就 是因素变化产生的离差平方和。则 船：堕一! 。 玎n 式中，丁，为第j 列同水平数据的和；j 为列号；n 为同一水平的重复次数；n 为同 一因素下的数据总次数；t 为同一因素下的数据总和。 其方差为 s s i m s 。= 上 。d f 式中，d 尸为自由度，其值为一个因素的水平个数。 3 4 第三章复合式路面结构断裂力学分析 f ：堕f 慨，呱) m s；g 、口， 当f e 一。吒，嬲昊) 时，则以检验水平a 推断该因素作用显著；否则，认为 该因素作用不显著。 从表3 6 可以看出，当置信概率为9 5 时，对应力强度因子k 有显著影响的 因素是a c 层厚度。而当置信概率为9 0 时，可知a c 层厚度、c c 层模量对应力强 度因子k 均有显著影响。 3 2 温度荷载作用下的力学分析 路面结构不但受到行车荷载的反复作用，而且在自然环境下受到太阳辐射、 气温等因素不断变化的影响。因此，路面结构内的温度随着气温日变化甚至年变 化而变化。当温度下降时，混凝土基层会出现收缩变形，同时又受到各结构层的 相互约束，使得在基层内产生温度伸缩和翘曲应力。而影响混凝土基层应力的主 要是温度翘曲应力。 复合式路面，在降温条件下都会由收缩变形产生收缩应力，这种收缩应力大 于材料的极限强度时就会产生裂缝，而对于带裂纹的路面结构体就会促进裂缝的 发展，因此进行路面结构反射裂缝分析时，必须分析温度荷载对反射裂缝的影响。 本文主要采用通用有限元软件模拟路面突然降温时的温度场，并且计算裂缝尖端 处的应力强度因子及分析各路面结构参数对应力强度因子的敏感性分析。在计算 裂缝尖端的应力强度因子之前，先进行沥青路面温度场的简化。在计算过程中忽 略了沥青路面粘弹性的影响。 3 2 1 路面温度场的简化 路面裸露于地表，直接受各种自然因素的作用。尤其是在大风降温过程中， 沥青面层表面产生的温度收缩应力最大，一旦表面的温度应力超过沥青混凝土的 抗拉强度，沥青混凝土表面就可能产生温度收缩裂缝。所以研究变温对道路结构 体的作用时，道路结构体中温度场的确定就成为解决问题的关键。b a r b e r 主要分 析了路表最高温度，c h r i s t i s o n 和a n d e r s o n 则主要研究低温情形。不同的研究者 提出了道路结构体的温度分布函数，如多项式进行模拟法，指数函数模拟法等。 吴赣昌7 1 基于大量的实测资料和理论分析提出了路表发生的变温沿深度衰减的指 数函数，该公式简洁，参数易十确定。该公式给出：路表发生某一变温，变温沿 深度方向的衰减规律： 第三章复合式路面结构断裂力学分析 3 5 l 丑e x p ( -