龔志成 曹寧

【摘? ? 要】：為了進(jìn)一步了解貧瀝青碎石作為一種新型裂縫緩解層的抗反射裂縫能力，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS分析在半剛性基層設(shè)置預(yù)留裂縫的條件下，貧瀝青碎石緩解層層底應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ隨裂縫緩解層厚度變化的規(guī)律，得出貧瀝青碎石緩解層合理厚度范圍為8～11 cm；通過(guò)抗反射裂縫能力對(duì)比分析，得出動(dòng)態(tài)荷載在行進(jìn)裂縫區(qū)域0.03～0.04 s時(shí)間段內(nèi)，裂縫極易產(chǎn)生擴(kuò)展；貧瀝青碎石緩解層層底裂縫尖端KⅠ、KⅡ、KⅢ分別是其他材料緩解層層底裂縫尖端KⅠ、KⅡ、KⅢ約0.6、0.42、0.41倍，有減緩裂縫開(kāi)展的能力。

【關(guān)鍵詞】：貧瀝青碎石；裂縫緩解層；抗裂效果；路面結(jié)構(gòu)；半剛性基層

【中圖分類號(hào)】：U414【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）03-01-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.001

Finite Element Analysis of Crack Resistance of Lean Asphalt Gravel

GONG Zhicheng1，CAO Ning2

（1.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd.，Tianjin? 300392，China；2. Shandong High-speed Engineering Testing Co. Ltd.， Jinan 250000，China）

【Abstract】： The anti-reflective crack ability of lean asphalt macadam as a new type of crack relief layer， the finite element software ABAQUS is used to analyze the rule of the stress intensity factors? KⅠ、KⅡ、KⅢ at the bottom of the lean asphalt macadam relief layer changing with the thickness of the crack relief layer under the condition that the semi-rigid base is equipped with reserved cracks， and the reasonable thickness range of the lean asphalt macadam relief layer is 8～11 cm;through the comparative analysis of the anti-reflection crack ability， the results show that the crack is very easy to expand during the period of 0.03～0.04 s in the moving crack area under dynamic load;the KⅠ、KⅡ and KⅢ at the bottom crack tip of the LAG alleviation layer are about 0.6， 0.42， and 0.41 times of the bottom crack tip KⅠ、KⅡ and KⅢ of other materials；This indicates that the LAG has the ability to significantly slow crack development.

【Key words】： lean asphalt gravel; crack resistance layer; pavement structure; semi-rigid base

貧瀝青碎石作為裂縫緩解層，在級(jí)配碎石的基礎(chǔ)上添加少量瀝青，使結(jié)合料剛好能夠黏結(jié)，改善級(jí)配碎石表面松散和施工性能差的缺點(diǎn)；同時(shí)提高碎石的模量，增強(qiáng)其抵抗荷載的能力，達(dá)到改善材料抗裂性能的目的[1～3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)貧瀝青級(jí)配碎石進(jìn)行了一些研究[4～8]，主要是對(duì)貧瀝青碎石混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)方法、貧瀝青碎石路用性能等，經(jīng)試驗(yàn)路鋪筑初步證明其具有良好的抗反射裂縫能力；尚未有相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)理論研究其抗裂緩解所需的厚度或驗(yàn)證其抗裂性能優(yōu)劣程度，也未有對(duì)含貧瀝青碎石緩解層路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得出貧瀝青碎石合理動(dòng)態(tài)壓縮模量值；采用有限元軟件ABAQUS模擬路面各結(jié)構(gòu)層受力情況，計(jì)算分析在動(dòng)態(tài)荷載下貧瀝青碎石緩解層合理厚度范圍；在設(shè)置相同緩解層厚度下，運(yùn)用軟件對(duì)比分析貧瀝青碎石裂縫緩解層及其他裂縫緩解層的抗裂能力。

1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮設(shè)置貧瀝青碎石緩解層的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度不明確，采用有限元軟件ABAQUS模擬路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)分析。為了保證模擬的真實(shí)性，賦予各層材料的屬性應(yīng)符合動(dòng)力分析的參數(shù)要求，參考JTGD 50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[9～11]確定動(dòng)態(tài)荷載下路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。見(jiàn)表1。

2 貧瀝青緩解層厚度推薦

采用應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)分析和研究裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度變化，以確定貧瀝青碎石緩解層的最佳厚度。見(jiàn)圖1和圖2。

由圖1可以看出，貧瀝青碎石緩解層厚度在8～15 cm，裂縫尖端處的張開(kāi)型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ變化值明顯小于剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ和撕開(kāi)型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅢ，說(shuō)明在動(dòng)態(tài)荷載作用下，貧瀝青碎石緩解層層底裂縫受豎向剪切力、撕開(kāi)拉應(yīng)力的影響比張開(kāi)拉應(yīng)力大。

由圖2可以看出，三類強(qiáng)度因子的變化率隨貧瀝青碎石緩解層厚度的增加呈減小趨勢(shì)且KⅠ、KⅢ的減小幅度要大于KⅡ。KⅠ、KⅢ在緩解層厚度由7 cm增到11 cm的過(guò)程中基本呈線性減小趨勢(shì)且減小幅度較大，尤其是厚度由7 cm增到9 cm過(guò)程中KⅠ降幅最高達(dá)到11.65%、KⅢ降幅最高達(dá)到13.17%；當(dāng)厚度達(dá)到11 cm左右時(shí)開(kāi)始變小，KⅠ降幅僅1.46%、KⅢ降幅僅為2.33%；在達(dá)到14 cm左右時(shí)降幅近似為0；分析判定緩解層厚度為11 cm時(shí)是拐點(diǎn)，超過(guò)11 cm，厚度對(duì)減小應(yīng)力作用并不明顯，所以通過(guò)KⅠ、KⅢ將貧瀝青碎石緩解層的厚度設(shè)為11 cm較為合適。同理，由KⅡ可得貧瀝青碎石緩解層的厚度設(shè)為10 cm較宜。

3 抗反射裂縫能力對(duì)比分析

3.1 裂縫緩解層材料動(dòng)力分析參數(shù)

將貧瀝青碎石層與其他抗裂材料層作為裂縫緩解層對(duì)比，其余路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)不變，研究貧瀝青碎石LAG、密集配瀝青混凝土AC-25、密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25、開(kāi)級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石ATPB-25動(dòng)態(tài)荷載作用下抗反射裂縫的效果。見(jiàn)表2。

3.2 抗反射裂縫能力對(duì)比

利用ABAQUS軟件分析動(dòng)態(tài)荷載作用于設(shè)定行車道0.1 s內(nèi)，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)荷載作用在中心裂縫區(qū)域時(shí)間段為0.03～0.06 s。見(jiàn)圖3。

3.2.1 裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ

動(dòng)態(tài)荷載呈半正弦函數(shù)變化，0.1 s時(shí)間內(nèi)荷載通過(guò)設(shè)定的區(qū)域（包括中心設(shè)定的裂縫所在區(qū)域）KⅠ呈波浪形變化。在0～0.03 s過(guò)程中，荷載逐漸接近裂縫所在區(qū)域，裂縫區(qū)域的KⅠ由正變負(fù)，在0.02 s時(shí)達(dá)到最大負(fù)值，裂縫區(qū)域呈受壓狀態(tài)，即裂縫愈不容易擴(kuò)展；0.03 s時(shí)荷載達(dá)到裂縫區(qū)域，裂縫區(qū)域的KⅠ達(dá)到最大值，即裂縫有水平垂直行車方向張開(kāi)的趨勢(shì)；而0.05 s荷載作用最大時(shí)，對(duì)裂縫的張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子并不是最大。0.03 s時(shí)各緩解層層底KⅠ達(dá)到最大值，排序?yàn)長(zhǎng)AG＜ATPB-25＜ATB-25＜AC-25。在動(dòng)態(tài)荷載作用下，荷載在剛靠近裂縫（0.03 s）時(shí)，兩側(cè)的載荷使得輪隙之間的裂縫承受張開(kāi)拉應(yīng)力而極易擴(kuò)展。見(jiàn)圖4。

3.2.2 裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ

動(dòng)態(tài)荷載呈半正弦函數(shù)變化， KⅡ呈波浪形變化。在0～0.035 s過(guò)程中，荷載逐漸接近裂縫所在區(qū)域，裂縫區(qū)域的KⅡ逐漸增大，在0.035 s時(shí)達(dá)到最大負(fù)值，裂縫區(qū)域受豎直向下的剪切應(yīng)力作用，即裂縫愈容易擴(kuò)展；0.06 s時(shí)荷載駛離裂縫區(qū)域，裂縫區(qū)域的KⅡ達(dá)到最小值，而0.05 s荷載作用最大時(shí)，荷載對(duì)裂縫的剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子并不是最大。0.035 s時(shí)各緩解層層底KⅡ達(dá)到最大值，排序?yàn)長(zhǎng)AG＜ATB-25＜ATPB-25＜AC-25。在動(dòng)態(tài)荷載作用下，荷載在剛靠近裂縫（0.03 s）時(shí)，兩側(cè)的載荷使得輪隙之間的裂縫承受剪應(yīng)力而極易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。見(jiàn)圖5。

3.2.3 裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅢ

動(dòng)態(tài)荷載呈半正弦函數(shù)變化， KⅢ呈波浪形變化。在0～0.04 s過(guò)程中，荷載由接近裂縫至裂縫區(qū)域內(nèi)，裂縫區(qū)域的KⅢ由開(kāi)始的平行行車方向受壓狀態(tài)逐漸變?yōu)槭芾瓚?yīng)力狀態(tài)，在0.04 s時(shí)達(dá)到最大值，裂縫區(qū)域受平行行車方向的拉應(yīng)力作用，即裂縫愈容易擴(kuò)展；由于路面材料阻尼的滯后性，0.09 s時(shí)荷載駛離裂縫區(qū)域0.03 s后，裂縫區(qū)域的KⅢ逐漸恢復(fù)受壓狀態(tài)且0.05 s荷載作用最大時(shí)，荷載對(duì)裂縫的撕開(kāi)型應(yīng)力強(qiáng)度因子并不是最大。0.04 s時(shí)各緩解層層底KⅢ達(dá)到最大值，排序?yàn)長(zhǎng)AG＜ATB-25＜ATPB-25＜AC-25。在動(dòng)態(tài)荷載作用下，荷載在駛進(jìn)裂縫區(qū)域后（0.04 s），兩側(cè)的載荷使得輪隙之間的裂縫承受拉應(yīng)力而極易擴(kuò)展。見(jiàn)圖6。

4 結(jié)論

1）強(qiáng)度因子的變化率隨貧瀝青碎石緩解層厚度的增大呈減小趨勢(shì)且KⅠ、KⅢ的減小幅度大于KⅡ，說(shuō)明在動(dòng)態(tài)荷載作用下，貧瀝青碎石緩解層層底裂縫受豎向剪切力、撕開(kāi)拉應(yīng)力的影響比張開(kāi)拉應(yīng)力大；貧瀝青碎石緩解層厚度合理范圍為8～11 cm。

2）在動(dòng)態(tài)荷載作用下裂縫尖端區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈波浪形變化，荷載在行進(jìn)裂縫區(qū)域0.03～0.04 s時(shí)間段內(nèi)，兩側(cè)載荷使得輪隙間的裂縫承受張開(kāi)拉應(yīng)力、撕開(kāi)型拉應(yīng)力、豎向剪應(yīng)力的綜合作用，裂縫極易產(chǎn)生擴(kuò)展。

3）LAG層層底裂縫KⅠ是其他材料緩解層層底KⅠ約0.6倍；LAG層層底裂縫KⅡ、KⅢ是其他材料緩解層層底裂縫尖端的KⅡ、KⅢ約0.4倍，各裂縫緩解層層底最大KⅡ、KⅢ排序均為L(zhǎng)AG＜ATB-25＜ATPB-25＜AC-25，表明LAG緩解層具有明顯的減緩裂縫開(kāi)展能力，作為中間結(jié)構(gòu)層緩解半剛性基層反射裂縫問(wèn)題有明顯優(yōu)勢(shì)。

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