CRC AC刚柔复合式路面沥青层开裂分析.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g C R CA C刚柔复合式路面沥青层开裂分析邓凤祥)许路凯)周栩佳)(湖南省交通科学研究院有限公司)长沙 )(长沙理工大学特殊环境道路工程湖南省重点实验室)长沙 )摘要:文中建立了基于温度和三向非均布荷载耦合作用下有限元仿真模型,结合一定温度下落锤式弯沉仪(FWD)实测的复合式路面实体工程路表弯沉测试结果,验证了建模方法的合理性通过不利荷位与不利时间下连续配筋混凝土刚柔复合式沥青路面在热力耦合作用下的力学响应分析,揭示沥青层在车辆正常行驶状态和紧急制动状态的开裂风险结果表明:热力耦合有限元模型计算值与FWD实测值最大误差为,认为该热力耦合方法基本可靠最不利的工作时间为低温季节的:左右,最不利荷位为车轮荷载刚刚通过C R C层微裂缝的荷位正常行驶状态下,沥青层轮隙处易产生纵向T o p D o w n裂缝的出现沥青层底面C R C层微裂缝附近由于应力集中产生较大的拉剪应力,建议采取设置抗裂层等措施,有利于减少损伤开裂而形成的反射裂缝,延长C R CA C复合式路面使用寿命紧急制动状态下,沥青层C R C层微裂缝位置更容易产生裂缝,因此在易紧急制动路段应该采取必要的措施关键词:道路工程;连续配筋混凝土板;复合式沥青路面;热力耦合;开裂分析中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:邓凤祥(),女,高级工程师,主要研究领域为道路结构分析与设计基金项目:国家重点研发计划(Y F B )、湖南省自然科学基金(J J )、国家自然科学基金()、湖南省交通运输厅科技进步与创新计划项目()引言连续配筋混凝土复合式沥青路面是在连续配筋 混 凝 土(c o n t i n u o u s l y r e i n f o r c e d c o n c r e t e,C R C)板 上 加 铺 沥 青 混 凝 土(a s p h a l tc o n c r e t e,A C)层的路面结构,是我国重载交通长寿命路面的主要结构形式之一,具有承载能力强、行车舒适性好、养护维修费用低等优点在工程实践及前期研究中(包括对实体工程的跟踪观测和钻芯取样)发现:C R CA C复合式路面主要病害为沥青层开裂 C R CA C复合式路面作为一种前期投资成本较高的耐久性路面,沥青层的开裂行为如不能有效控制,将增加养护费用并影响沥青层的使用寿命,甚至会对C R C板的耐久性产生影响在沥青面层开裂研究方面,曾梦澜等计算了沥青面层的层底最大剪应力,设计了层间剪切疲劳的测试装置,并指出要采用适宜的层间结构与材料以控制沥青面层的开裂张倩倩等通过小梁加载试验研究不同修补策略对旧水泥混凝土路面破损接缝处沥青混凝土加铺层(A C)抵抗反射裂缝的有效性李盛等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、裂缝扩展等顾兴宇等分析了C R CA C复合式路面的瞬态温度场,基于沥青面层厚度对C R C板温度场和裂缝间距的影响规律,推导了裂缝控制指标的计算公式针对数值模拟方面的研究,田荣燕等通过仿真软件,建立了冻土区连续配筋混凝土路面热力耦合力学模型和子午线轮胎应力场与温度场模型近年来T o p D o w n裂缝已被国内外道路工程界广泛关注,沥青路面的T o p D o w n裂缝极为严重,T o p D o w n开裂是沥青路面多种病害的诱因与条件,严重影响路面的行驶质量和行车安全 A l i h a等 发现轮载附近的局部应力集中、温缩应力、沥青混合料老化及离析等是T o p D o w n开裂的主要原因罗辉等 对沥青路面的T o p D o w n开裂进行了仿真分析与室内试验模拟,研究了T o p D o w n裂缝的开裂成因、评价与减缓方法、影响因素与扩展等但这些研究主要是针对半刚性基层沥青路面,而实体工程的调研表明,C R CA C复合式路面轮迹带附近的沥青 面层也存在T o p D o w n裂缝,目前未见关于C R CA C复合式路面的T o p D o w n开裂研究综上,目前国内外关于C R CA C复合式路面沥青层开裂行为和机理方面的研究较少,尤其是针对C R CA C复合式路面热力耦合下的力学行为、T o p D o w n开 裂 分 析 等文 中 系 统 研 究C R CA C复合式路面的开裂行为,揭示沥青层的开裂机理并提出相应的控制方法热力耦合模型的建立 模型的建立与验证)温度场模型建立C R CA C复合式路面三维有限元计算模型沿行车方向取 m、垂直行车方向取 m(双车道)、深度方向取 m温度场路面结构层计算参数见表,路面材料热物性计算参数见表 C R C板纵向钢筋采用直径 mm螺纹钢筋,配筋率为,横向钢筋采用直径 mm螺纹钢筋,配筋率为,钢筋模量E MP a,密度 k gm,钢筋设置在板中位置,采用裂缝虚拟填料的方法模拟传荷作用表构层计算参数结构层厚度/m弹性模量/MP a泊松比阻尼比密度/(k gm)沥青混凝土层(A C)连续配筋混凝土层(C R C)水泥稳定碎石基层 土基 表路面材料热物性参数基本参数A CC R C水稳碎石土基热传导率k/J(mh)密度/(k gm)比热容量/J(k g)太阳辐射吸收率as 路面发射率 S t e f a n B o l t z m a n n常 数/J(hmK)模拟连续变温条件下C R CA C复合式路面结构的温度场该地区低温季节d h共计 个时间点的温度实测数据,见表表某地区低温季节d h的实测气温时间气温/时向气温/时向气温/时向 气温/)热力耦合模型建立将路面结构简化成层状弹性体系,对各结构层作以下假设:温度变化不随水平坐标的变化而变化,只与厚度有关;路面各结构层接触良好,热传导连续;各结构层为各向同性、完全连续、均质的线弹性体;各结构层的层间接触状态为完全连续,有足够的摩擦力,不发生滑动;路基在水平和深度方向无限延伸,面层、基层、垫层只在水平方向无限延伸;路面在垂直均布荷载作用下,无限远和无限深处应力和位移均为定义路面结构各层材料在不同温度时的模量泊松比,以及路面结构各层材料随温度变化模量及线膨胀系数,温度应力分析所需的材料各项参数见表表C R CA C复合式路面结构各层力学参数材料温度/线膨胀系数沥青混合料 连续配筋混凝土 水稳碎石层 土基 选用货车和大型客车使用的纵向花纹子午线轮胎,尽可能地反映路面结构真实受力状况行车荷载采用标准双轮轴载 k N固定位置的冲击荷载,三向非均布荷载简化模型及子午线轮胎的纵向花纹对地面的压力取值见文献 热力耦合模型验证通过温度场模型计算所采集温度下的路面结构温度场温度场,将实测FWD数据时的温度场数据导入热力耦合模型,将FWD荷载简化为峰值为 MP a,荷载作用半径为 c m,作用时间为 m s的半正弦函数圆形均布荷载实测弯沉与计算弯沉值对比见表第期邓凤祥,等:C R CA C刚柔复合式路面沥青层开裂分析表实测与计算弯沉对比距落锤中心距离/c m 实测弯沉值/m 计算弯沉值/m 由表可知:有限元模拟结构与FWD实测弯沉值误差较小,最大误差为,最小误差仅为,且弯沉值随距离变化规律基本与实测值一致不利时间与不利荷位分析 不利时间确定考虑路面结构材料温缩性质,低温条件下,路面结构收缩受拉,因此计算时引入某地低温季节具有代表性d的温度场作为路面结构动力响应分析的典型温度场,在温度和车辆非均布动荷载的作用下,分析沥青层底的最大拉应力与剪应力随时间的变化情况,以确定路面结构在不利季节日周期内最不利的温度场,计算结果见图图低温季节沥青层底最大应力变化由图可知:C R CA C复合式路面结构在温度和车辆非均布动荷载耦合作用下,沥青层底部最大拉应力与剪应力均在:左右时达到最大,最大拉应力为 MP a,最大剪应力为 MP a 故研究C R CA C复合式路面在温度和荷载耦合作用下力学响应时,选取低温季节某天:左右的温度场作为路面结构动力响应分析的典型温度场 不利荷位确定参考文献 :当横向裂缝间距L小于等m时,临界荷位为横向裂缝边缘的中部确定温度和三向非均布荷载耦合作用下的不利荷位时,要考虑与微裂缝(纹)接触的沥青层底部会产生的应力集中,计算时选用低温季节:左右的不利温度场作为路面结构动力响应分析的典型温度场由于路面施加的是三向非均布半正弦荷载,行车方向存在纵向水平力作用,车辆非均布动荷载作用在裂缝(纹)的整个过程中要分下面三种情况,即三个荷位,见图图荷位示意图当车辆荷载作用时,裂缝两侧的C R C板会产生一定的相对位移,会造成反射裂缝的发展因此选取剪应力作为不利荷位的判断依据,剪应力计算结果见表表荷载作用在不同荷位时的剪应力荷载作用位置最大剪应力/MP a最大剪应力的位置荷位(缝后)A C层底轮载边缘中心处荷位(缝前)A C层底轮载边缘中心处荷位(骑缝)A C层底轮载中心处由表可知:荷载作用于不同位置处时,剪应力:荷位荷位荷位,其中作用在荷位时剪应力为 MP a,因此在进行温度和三向非均布动荷载耦合作用下的力学响应分析时选取荷位作为C R CA C复合式路面的不利荷位沥青面层力学响应分析 正常行驶状态设置纵向水平力方向与行车方向相反,计算正常行驶状态下C R CA C复合式路面沥青层的应力沥青层的横纵向应力和剪应力分布见图图沥青层横向应力、纵向应力和剪应力由图可知:在温度和三向非均布动荷载耦合作用下,沥青层表面和底面轮隙处都存在横向武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷拉应力,且表面的横向拉应力较大,在温度和车辆荷载的重复作用下可能导致纵向T o p D o w n裂缝的出现,也可能产生同时从表面和底面开裂的“对应裂缝”;沥青层表面轮胎前端纵向拉应力较大,也存在一定大小的剪应力,横向T o p D o w n裂缝的出现;沥青层底面轮胎后端和C R C层微裂缝位置纵向拉应力和剪应力较大,在温度和荷载的重复作用下极易造成C R C层微裂缝向沥青层反射,沥青层底出现反射裂缝的出现与扩展,影响路面使用功能实际工程中应在沥青层与C R C层间设置应力吸收层,A C下面层应选用优质抗拉抗裂沥青混合料,以防止反射裂缝的出现及扩展 紧急制动状态在城市道路中的公交车站、红绿灯路口,以及高速公路上收费站前车辆起动、制动频繁,车辆会对路面产生一个大的纵向水平力,更加加剧了沥青层的损伤,造成路面产生严重车辙和推移等破坏纵向水平力大小为qp()式中:q为车辆在制动时的纵向水平力,MP a;为纵向水平力系数;p为车辆竖向荷载,MP a 按紧急制动的情况,纵向水平力系数取值为,设置纵向水平力方向与行车方向相同,计算紧急制动状态下C R CA C复合式路面沥青层的应力,结果见图图紧急制动时沥青层横向应力、纵向应力和剪应力由图可知:紧急制动状态下,沥青层应力均有不同程度增大与正常行驶状态相比较,沥青层表面和底面横向拉应力、纵向拉应力以及剪应力最大值均出现在轮载后端C R C层微裂缝附近这表明,紧急制动状态下,轮载作用于缝后位置会更容易产生纵向开裂和横向反射裂缝,严重影响C R CA C复合式路面耐久性因此,在视距条件较差、道路交叉口、收费站以及上下坡等频繁制动路段应该考虑采用抗裂性好的沥青混合料或设置抗裂层等方式来延长C R CA C复合式路面使用寿命结论)基于C R CA C复合式路面实体工程采集的温度及弯沉数据对热力耦合仿真方法进行验证,结果 表 明:热 力 耦 合 有 限 元 模 型 计 算 值 与FWD实测值最大误差为,认为所采用的热力耦合方法基本可靠)通过分析沥青层底最大拉应力和剪应力,确定了最不利的工作时间为低温季节的:左右;通过分析沥青层底最大剪应力,确定了最不利荷位为缝后,也即车轮荷载刚刚通过C R C层微裂缝的荷位)正常行驶状态下,沥青层轮隙处易产生纵向T o p D o w n裂缝的出现;沥青层底面C R C层微裂缝附近由于应力集中产生较大的拉剪应力,易出现损伤开裂并逐步向上扩展形成反射裂缝,建议采取设置抗裂层等措施来延长C R CA C复合式路面使用寿命)紧急制动状态下,沥青层表面和底面最大横向拉应力、纵向拉应力和剪应力均出现在轮载后端C R C层微裂缝附近,且应力值均有不同程度的增加这表明紧急制动状态下,沥青层C R C层微裂缝位置更容易产生裂缝,因此在易紧急制动路段应该采取必要的措施参 考 文 献刘朝晖连续配筋混凝土复合式沥青路面层间剪应力及结构M北京:人民交通出版社,张宏超路面分析与结构设计M上海:同济大学出版社,李盛,陈尚武,刘朝晖,等刚性基层沥青路面沥青层破坏行为与机理研究J中南大学学报(自然科学版),():曾梦澜,蒙艺,钟梦武,等 C R CA C复合式路面层间剪应 力 分 析 研 究 J湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报,():张倩倩,吴德芬,何文,等接缝修补材料对复合式路面A C层抵抗反射裂缝的试验研究J中南大学学报(自然科学版),():李盛,刘朝晖,李宇峙刚柔复合式路面沥青层荷载第期邓凤祥,等:C R CA C刚柔复合式路面沥青层开裂分析疲劳损伤特性及开裂机理J中南大学学报(自然科学版),():顾兴宇,倪富健,董侨 A CC R C P复合式路面温度场有限 元 分 析 J东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版),():田荣燕,黄晓明,殷大泉,等基于水热力耦合作用的冻土区C R C P路面应力特性J东南大学学报(自然科学版),():黄京城载重 子 午 线 轮 胎 热 应 力 耦 合 问 题 的 研 究D青岛:青岛科技大学,A L I HA M R M,S A R B I J AN MJ E f f e c t so f l o a d i n g,g e o m e t r ya n d m a t e r i a lp r o p e r t i e so nf r a c t u r ep a r a m e t e r so fap a v e m e n tc o n t a i n i n gt o p d o w na n db o t t o m u pc r a c k sJE n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s,():罗辉,李芳武,朱宏平,等沥青路面表面裂纹扩展机理研究J应用基础与工程科学学报,():L IS,S UNY,XULK,e t a l A s p h a l t l a y e r c r a c k i n gb e h a v i o ra n dt h i c k n e s sc o n t r o lo fc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n da s p h a l tc o n c r e t ec o m p o s i t ep a v e m e n tJ B u i l d i n g s,():张兰峰基于移动荷载和连续变温条件下沥青路面结构力学响应研究D西安:长安大学,陈东,黄立葵,沈庆 C R CA C复合式路面的应变能响应分析J公路工程,():刘朝晖,王骁帆,李盛,等温缩和干缩对连续配筋混凝土路面纵向配筋的影响J中国公路学 报,():C r a c k i n gA n a l y s i so fA s p h a l tL a y e ro fC R CA CR i g i d f l e x i b l eC o m p o s i t eP a v e m e n tD E N GF e n g x i a n g)X UL u k a i)Z H O UX u j i a)(H u n a nC o mm u n i c a t i o n sR e s e a r c hI n s t i t u t eC oL t d,C h a n g s h a ,C h i n a)(C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,C h a n g s h a ,C h i n a)A b s t r a c t:Af i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt e m p e r a t u r ea n dt h r e e d i m e n s i o n a ln o n u n i f o r ml o a dc o u p l i n gw a se s t a b l i s h e d T h er a t i o n a l i t yo f t h em o d e l i n gm e t h o dw a sv e r i f i e db yt h ed e f l e c t i o nt e s t r e s u l t so f t h e c o m p o s i t ep a v e m e n t a t a c e r t a i n t e m p e r a t u r em e a s u r e db y f a l l i n gw e i g h t d e f l e c t o m e t e r(FWD)T h r o u g ht h em e c h a n i c a l r e s p o n s ea n a l y s i so f c o n t i n u o u s r e i n f o r c e dc o n c r e t e r i g i d f l e x i b l ec o m p o s i t ea s p h a l tp a v e m e n tu n d e r t h ea c t i o no f t h e r m a l c o u p l i n gu n d e ru n f a v o r a b l e l o a dp o s i t i o na n du n f a v o r a b l e t i m e,t h ec r a c k i n gr i s ko fa s p h a l tl a y e ri nn o r m a ld r i v i n gs t a t ea n de m e r g e n c yb r a k i n gs t a t ew a s r e v e a l e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em a x i m u me r r o rb e t w e e n t h e c a l c u l a t e dv a l u eo f t h e r m o m e c h a n i c a l c o u p l i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l a n dt h em e a s u r e dv a l u eo fFWDi s,a n dt h et h e r m o m e c h a n i c a l c o u p l i n gm e t h o d i sb a s i c a l l yr e l i a b l e T h em o s tu n f a v o r a b l ew o r k i n gt i m e i sa r o u n d:i n l o wt e m p e r a t u r e s e a s o n,a n d t h em o s t u n f a v o r a b l e l o a dp o s i t i o n i s t h e l o a dp o s i t i o nw h e r e t h ew h e e ll o a dh a s j u s t p a s s e d t h r o u g h t h em i c r o c r a c k s i nC R Cl a y e r U n d e rn o r m a l d r i v i n gc o n d i t i o n s,l o n g i t u d i n a lT o p D o w nc r a c k sa r ee a s y t oa p p e a r a t t h ew h e e l g a po f a s p h a l t l a y e r D u e t o t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n,t h e r e i sa l a r g et e n s i l es h e a rs t r e s sn e a rt h em i c r o c r a c k so fC R Cl a y e ro nt h eb o t t o mo fa s p h a l t l a y e r I t i s s u g g e s t e d t o t a k em e a s u r e s s u c ha s s e t t i n ga n t i c r a c k l a y e r,w h i c h i sb e n e f i c i a l t o r e d u c e t h e r e f l e c t i o nc r a c k s c a u s e db yd a m a g e c r a c k i n ga n dp r o l o n g t h e s e r v i c e l i f eo fC R CA Cc o m p o s i t ep a v e m e n t I nt h ee m e r g e n c yb r a k i n gs t a t e,c r a c k sa r em o r e l i k e l yt oo c c u r i nt h em i c r o c r a c k so fC R Cl a y e ro f a s p h a l t l a y e r,s on e c e s s a r ym e a s u r e s s h o u l db e t a k e n i n t h e e m e r g e n c yb r a k i n gr o a ds e c t i o n K e yw o r d s:r o a de n g i n e e r i n g;c o n t i n u o u s r e i n f o r c e dc o n c r e t es l a b;c o m p o s i t ea s p h a l tp a v e m e n t;t h e r m o m e c h a n i c a l c o u p l i n g;c r a c k i n g武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷