贫沥青碎石缓解层抗裂效果有限元分析.pdf

Tianjin Construction Science and TechnologyMuniciransportation2023年6 月市政与交通天津建设科技第3 3 卷第3 期贫沥青碎石缓解层抗裂效果有限元分析龚志成，曹宁2（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津3 0 0 3 9 2；2.山东高速工程检测有限公司，山东济南2 5 0 0 0 0）【摘要】：为了进一步了解贫沥青碎石作为一种新型裂缝缓解层的抗反射裂缝能力，应用有限元软件ABAQUS分析在半刚性基层设置预留裂缝的条件下，贫沥青碎石缓解层层底应力强度因子KI、K K 随裂缝缓解层厚度变化的规律，得出贫沥青碎石缓解层合理厚度范围为8 11cm；通过抗反射裂缝能力对比分析，得出动态荷载在行进裂缝区域0.0 3 0.0 4s时间段内，裂缝极易产生扩展；贫沥青碎石缓解层层底裂缝尖端K，K K 分别是其他材料缓解层层底裂缝尖端K，K K 约0.6、0.42、0.41倍，有减缓裂缝开展的能力。【关键词】：贫沥青碎石；裂缝缓解层；抗裂效果；路面结构；半刚性基层【中图分类号】:U414【文献标志码】:C【文章编号:10 0 8-3 19 7(2 0 2 3)0 3-0 1-0 3【D O I 编码】:10.3 9 6 9/j.issn.1008-3197.2023.03.001Finite Element Analysis of Crack Resistance of Lean Asphalt GravelGONG Zhicheng,CAO Ning?(1.Tianjin Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.,Tianjin 300392,China;2.Shandong High-speed EngineeringTesting 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 ele-ment software ABAQUS is used to analyze the rule of the stress intensity factors K,KKm at the bottom ofthe lean asphalt macadam relief layer changing with the thickness of the crack relief layer under the conditionthat the semi-rigid base is equipped with reserved cracks,and the reasonable thickness range of the lean as-phalt macadam relief layer is 81l 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 0.030.04 s in the moving crack ar-ea under dynamic load;the K,Kn and Km at the bottom crack tip of the LAG alleviation layer are about O.6,O.42,and 0.41 times of the bottom crack tip K,Kn and Km of other materials;This indicates that the LAG hasthe ability to significantly slow crack development.Key words:lean asphalt gravel;crack resistance layer;pavement structure;semi-rigid base贫沥青碎石作为裂缝缓解层，在级配碎石的基础上添加少量沥青，使结合料刚好能够黏结，改善级配碎石表面松散和施工性能差的缺点；同时提高碎石的模量，增强其抵抗荷载的能力,达到改善材料抗裂性能的目的1-3。收稿日期：2 0 2 2-0 4-13作者简介：龚志成（19 9 5），男，助理工程师，从事道路设计工作。近年来，国内针对贫沥青级配碎石进行了一些研究 4 8)，主要是对贫沥青碎石混合料的级配设计方法、贫沥青碎石路用性能等，经试验路铺筑初步证明其具有良好的抗反射裂缝能力；尚未有相应的路面结构理论研究其抗裂缓解所需的厚度或验证其抗裂性能优劣程度，也未有对含贫沥青碎石缓解层路面结构应力的研究。本文通过室内试验得出贫沥青碎石合理动第3 3 卷第3 期Municiparansportationan天津建设科技市政与交通态压缩模量值；采用有限元软件ABAQUS模拟路面各结构层受力情况，计算分析在动态荷载下贫沥青碎石缓解层合理厚度范围；在设置相同缓解层厚度下，运用软件对比分析贫沥青碎石裂缝缓解层及其他裂缝缓解层的抗裂能力1路面结构设计参数考虑设置贫沥青碎石缓解层的路面结构设计厚度不明确，采用有限元软件ABAQUS模拟路面结构进行动态力学分析。为了保证模拟的真实性，赋予各层材料的属性应符合动力分析的参数要求，参考JTGD50一2017公路沥青路面设计规范及相关设计经验19 确定动态荷载下路面结构设计参数。见表1。表1路面各结构层设计参数密度/结构层材料名称厚度/cm模量/MPa阻尼泊松比(kgm)沥青面层1290002.4000.90.25混凝土裂缝贫沥青715358223350.90.40缓解层碎石水泥稳定基层402.00023000.80.25碎石土基压实土5018000.40.402贫沥青缓解层厚度推荐采用应力强度因子来分析和研究裂缝尖端的应力场强度变化，以确定贫沥青碎石缓解层的最佳厚度。见图1和图2。765432一0789101112 131415厚度/cmKKK图1强度因子K,、K I、K 变化曲线141291011112131415厚度/cm+KKI1Km图2 强度因子K、K l、K m减小幅度曲线由图1可以看出，贫沥青碎石缓解层厚度在8 15cm，裂缝尖端处的张开型应力强度因子K，变化值明显小于剪切型应力强度因子K，和撕开型应力强度因子Km，说明在动态荷载作用下，贫沥青碎石缓解层层底裂缝受竖向剪切力、撕开拉应力的影响比张开拉应力大。由图2 可以看出，三类强度因子的变化率随贫沥青碎石缓解层厚度的增加呈减小趋势且K、K 的减小幅度要大于Kl。K、K m在缓解层厚度由7 cm增到11cm的过程中基本呈线性减小趋势且减小幅度较大，尤其是厚度由7 cm增到9 cm过程中K,降幅最高达到11.6 5%、Km降幅最高达到13.17%；当厚度达到11cm左右时开始变小，K，降幅仅1.46%、Km降幅仅为2.33%；在达到14cm左右时降幅近似为0；分析判定缓解层厚度为11cm时是拐点，超过11cm，厚度对减小应力作用并不明显，所以通过K，、K 将贫沥青碎石缓解层的厚度设为11cm较为合适。同理，由K，可得贫沥青碎石缓解层的厚度设为10 cm较宜。3#抗反射裂缝能力对比分析3.1裂缝缓解层材料动力分析参数将贫沥青碎石层与其他抗裂材料层作为裂缝缓解层对比，其余路面结构材料参数不变，研究贫沥青碎石LAG、密集配沥青混凝土AC-25、密级配沥青稳定碎石ATB-25、开级配沥青稳定碎石ATPB-25动态荷载作用下抗反射裂缝的效果。见表2。表2裂缝缓解层材料的动力分析参数材料动态压缩密度/厚度/cm阻尼泊松比名称模量/MPa(kgm)LAG10358223350.90.4AC-25109.5002.4000.90.3ATB-2510900025000.90.3ATPB-2510850025000.90.43.2#抗反射裂缝能力对比利用ABAQUS软件分析动态荷载作用于设定行车道0.1s内，裂缝尖端应力强度因子变化规律，动态荷载作用在中心裂缝区域时间段为0.0 3 0.0 6 s。见图3。3Municipal and TTransportation第3 3 卷第3 期龚志成，等：贫沥青碎石缓解层抗裂效果有限元分析市政与交通0.001 40.00120.0010.000 80.000 60.000.40.000200.020.040.060.080.1时间/s图3荷载变化规律3.2.1裂缝尖端应力强度因子K动态荷载呈半正弦函数变化，0.1s时间内荷载通过设定的区域（包括中心设定的裂缝所在区域)K，呈波浪形变化。在0 0.0 3 s过程中，荷载逐渐接近裂缝所在区域，裂缝区域的K，由正变负，在0.0 2 s时达到最大负值，裂缝区域呈受压状态，即裂缝愈不容易扩展；0.0 3 s时荷载达到裂缝区域，裂缝区域的K，达到最大值，即裂缝有水平垂直行车方向张开的趋势；而0.05s荷载作用最大时，对裂缝的张拉型应力强度因子并不是最大。0.0 3 s时各缓解层层底K,达到最大值,排序为LAGATPB-25ATB-25AC-25。在动态荷载作用下，荷载在刚靠近裂缝（0.0 3 s)时，两侧的载荷使得轮隙之间的裂缝承受张开拉应力而极易扩展。见图4。0.040.030.020.0100.010.020.030.040.050.060.0770.080.090.1-0.01时间s-0.02-0.03-0.04-0.05LAGAC-25ATB-25ATPB-25图4各缓解层层底K，对比3.2.2裂缝尖端应力强度因子K动态荷载呈半正弦函数变化，K呈波浪形变化。在0 0.0 3 5 s过程中，荷载逐渐接近裂缝所在区域，裂缝区域的K，逐渐增大，在0.0 3 5 s时达到最大负值，裂缝区域受竖直向下的剪切应力作用，即裂缝愈容易扩展；0.0 6 s时荷载驶离裂缝区域，裂缝区域的K，达到最小值，而0.0 5 s荷载作用最大时，荷载对裂缝的剪切型应力强度因子并不是最大。0.0 3 5 s时各缓解层层底K,达到最大值，排序为LAGATB-25ATPB-25AC-25。在动态荷载作用下，荷载在刚靠近裂缝(0.03s)时，两侧的载荷使得轮隙之间的裂缝承受剪应力而极易产生相对滑动。见图5。3200.010.020.030.040.050.060.070.0830.09.0.1-1时间/s-2-LAGAC-25ATB-25-3FATPB-25图5各缓解层层底K，对比3.2.3裂缝尖端应力强度因子K动态荷载呈半正弦函数变化，K呈波浪形变化。在0 0.0 4s过程中，荷载由接近裂缝至裂缝区域内，裂缝区域的K由开始的平行行车方向受压状态逐渐变为受拉应力状态，在0.0 4s时达到最大值，裂缝区域受平行行车方向的拉应力作用，即裂缝愈容易扩展；由于路面材料阻尼的滞后性，0.0 9 s时荷载驶离裂缝区域0.0 3 s后，裂缝区域的Km逐渐恢复受压状态且0.05s荷载作用最大时，荷载对裂缝的撕开型应力强度因子并不是最大。0.0 4s时各缓解层层底K达到最大值,排序为LAGATB-25ATPB-25AC-25。在动态荷载作用下，荷载在驶进裂缝区域后（0.0 4s），两侧的载荷使得轮隙之间的裂缝承受拉应力而极易扩展。见图6。3上2100.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1时间/s-2-3一荷载变化趋势LAGAC-25ATB-25ATPB-25图6各缓解层层底K对比4结论1)强度因子的变化率随贫沥青碎石缓解层厚度的增大呈减小趋势且K，K 的减小幅度大于K，说明在动态荷载作用下，贫沥青碎石缓解层层底裂缝受竖向剪切力、撕开拉应力的影响比张开拉应力大；贫沥青碎石缓解层厚度合理范围为8 11cm。（下转第2 0 页）20天津建设科技第3 3 卷第3 期MunicipalandTransportation市政与交通续表2cm本文设计的道路路基传统的道路路基沉降路段沉降注浆施工后沉降注浆施工后沉降D0.0962.123E0.1351.655F0.1282.104G0.1562.135H0.1391.56110.1441.025J0.1781.147由表2 可知，应用本文设计的道路路基沉降注浆施工技术后，各个路段的沉降深度均较低，其沉降深度最高值仅为0.17 8 cm，传统技术的沉降深度最低值达到了1.0 2 5 cm，设计的道路路基沉降施工方法的施工效果更好。3结语本文设计了新的道路路基沉降注浆施工技术，扫描需要注浆的沉降路段，记录道路中的具体沉降缺陷，通过贝克曼梁弯沉仪测量路面的弯沉值，使用选取的注浆材料进行注浆，完成道路修复。结果表明，设计的道路路基沉降施工技术具有有效性和可行性，有一定的应用价值，可以作为后续道路路基施工的参考。（上接第3 页）2）在动态荷载作用下裂缝尖端区域的应力强度因子呈波浪形变化，荷载在行进裂缝区域0.0 3 0.0 4s时间段内，两侧载荷使得轮隙间的裂缝承受张开拉应力、撕开型拉应力、竖向剪应力的综合作用，裂缝极易产生扩展3)LAG层层底裂缝K，是其他材料缓解层层底K约0.6 倍；LAG层层底裂缝Kl、K m是其他材料缓解层层底裂缝尖端的Kl、K m约0.4倍，各裂缝缓解层层底最大K、K m 排序均为LAGATB-25ATPB-25AC-25，表明LAG缓解层具有明显的减缓裂缝开展能力，作为中间结构层缓解半刚性基层反射裂缝问题有明显优势参考文献：1于保阳，张敏江，李拓文.微粘结级配碎石基层沥青路面结构分析 JJ.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2 0 13，2 9（5）：852-860.2李頔.级配碎石材料力学特性和设计方法研究 D.西安：参考文献：1祝建华，吕茂丰，查旭东，等.钢丝网加筋新老路面结合部抗拓宽路基差异沉降的数值模拟 J长沙理工大学学报（自然科学版）,2 0 2 1,18（4)：1-8.2石伟民，何方，陈士海，等.新建隧道下穿既有铁路的爆破振动控制标准研究 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