沥青混凝土路面裂缝的研究现状

刘晓丰 陈松洁

（中南大学土木建筑学院，湖南 长沙 410075）

沥青混凝土路面裂缝的研究现状

刘晓丰 陈松洁

（中南大学土木建筑学院，湖南 长沙 410075）

简要介绍了沥青路面使用现状及主要问题，有限元通用程序和有限单元应力强度因子法在沥青混凝土路面及沥青路面裂缝结构分析中的应用，并对沥青路面结构分析的发展方向进行预测。

沥青混凝土路面；有限单元法；断裂力学

（一）沥青路面使用现状和问题

目前我国高速公路通车里程6万多公里，其中沥青路面占了85%。由于沥青路面在物理特性、行车舒适度、后期维护、环保等方面具有明显优势。沥青路面风噪声小，对车子胎面磨损小，同时沥青路面韧性、抗压性和拉伸性好，适应不稳定地基等，使沥青混凝土路面在高等级公路路面建设中较多采用。随着交通量的迅猛发展和超载现象的频繁发生，沥青路面的破坏越来越严重，主要表包括开裂、车辙、凹陷和松散等。其中路面开裂是世界各国沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一，有交通荷载和温度应力引起的路面开裂是沥青路面早期破坏的主要形式之一，其分布十分普遍，无论冰冻地区，还是非冰冻地区，只是各自的开裂严重程度不同而已。根据开裂的原因，可以把沥青路面裂缝分为荷载型裂缝和温度型裂缝；从裂缝扩展方向上可以分为传统疲劳裂缝和反射裂缝。由于裂缝引起的路面病害已经严重影响沥青路面的使用性能，裂缝的产生和发展也破坏了原有路面的连续性和整体性，随着表面雨水的侵入导致结构层和土基的含水量加大，降低路面的强度，在大量行车荷载的反复作用下，很快使路面产生结构性破坏，影响道路的使用寿命，同时也提高了沥青路面养护维修成本。

（二）有限单元法及其在沥青路面中的应用

在对沥青路面裂缝的研究分析中，主要采用有限元数值分析分析方法，通过建立有限单元法是综合现代数学、力学理论、计算方法、计算机技术等学科的最新知识，发展起来的一种新兴技术。有限单元法的基本思想是将问题的求解域离散化，得到有限个单元，单元彼此之间仅靠节点相连。在单元内假设近似解的模式，通过适当方法，建立单元内部点的待求量与单元节点量之间的关系。采用有限元法解题基于以下几个方面的假设：

1.结构理想化：即把结构物抽象为相当的力学模型。

2.结构离散化：即用假想的线把结构划分为有限个单元，各单元仅在边界上的节点相连接。

3.规定单元的位移模式，并用基本未知数---节点位移来表示，该位移模式能唯一的确定单元的应变和应力状态，且能够满足结构连续性条件。

4.荷载和约束处理：把作用在外界上的外荷载，按照静力等效原则移置为相应节点上的力系，并根据结构受力与平衡情况，确定各边界条件与对称条件。具体分析过程是将道路看作一个连续体或几个连续体通过接触面相连的整体(其中的每一层为连续体)。将这些连续体分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个节点，一般可以认为相邻单元在节点上连结构成一组单元的集合体，用模拟或逼近求解区域进行分析。同时，选定场函数的节点值(例如将节点位移)作为基本未知量；根据分块近似的思想这，对每个单元假设一个简单的函数，近似地表示其位移的分布规律；再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法,建立单元节点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以节点位移为未知量的方程组,从而求解节点的位移分量。一经解出,就可利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么，随着单元尺寸的缩小，求解区域内单元数目的增加，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。由于有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序,可以充分利用高速计算机所带来的方便。目前，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件已达几百种，其中著名的有：ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP等。

越来越多的研究者利用有限元软件对沥青路面的各种参数进行分析，杨荣山和艾长发以ANSYS软件对标准轴载作用下的柔性路面和半刚性路面进行力学响应进行分析，讨论两者的承载能力问题，并分别对沥青面层、基层及底基层的拉、压应力进行了分析和讨论；胡小弟等人采用ANSYS，分析了三维柔性基层和半刚性基层路面结构，在不同的车型荷载及其不同荷载分布情形下力学响应的差异；陈静等人针对结构为沥青混合料面层、粒料基层和土基的3层柔性路面体系，建立了路面在车辆动载作用下的有限元分析模型，并应用ANSYS有限元软件对层状路面在动载作用下路面的动态响应进行三维有限元分析，结果表面，路面的疲劳破坏是动载引起的水平应力、横向应力和垂直应力共同作用的结果，水平应力的交变变化是使路面产生疲劳破坏的主要因素。王继林等人利用ANSYS对旧水泥路面加铺沥青罩面结构进行三维建模和定量分析评价，通过对荷载位置、沥青罩面层厚度和材料的模量变化进行多次模拟后，总结出路面罩面结构优化设计方案；符冠华等人利用ALGOR91，采用三维有限元静力分析方法，计算分析了具有接缝的旧水泥混凝土路面上沥青加铺层在行车荷载和温度变化作用下应力的变化情况，从理论上深入研究了应力吸收夹层和加筋夹层在不同情况下防治反射裂缝的效果，提出了两种夹层的模量推荐取值；周行春等以有限单元法为基础，考虑平面8节点等参元分析了软土地基容许工后不均匀沉降指标对路面应力响应的影响，提出了软基容许工后不均匀沉降指标；岳福青等利用平面应变有限单元法，探讨了计算路基不均匀沉降和由此引起的路面附加应力的计算方法，并将其运用于路面加宽设计中。

（三）断裂力学有限元法在沥青路面结构裂缝分析中的应用

断裂力学是研究含裂缝的构件在各种环境下（包括荷载作用、温度变化、湿度变化等）裂缝的平衡、扩展和失稳规律的一门学科。按照他们在荷载作用下扩展形式的不同，可以分为3种基本类型：张开型( I型) 、剪切型裂缝(II型) 、撕开型裂缝(III型)。在道路工程中，仅涉及到I型和II型裂缝。根据线弹性断裂理论，I 型裂纹尖端区域的位移场可表示为：

同样，对于II型裂纹，裂纹尖端区的应力场和位移场的形式也是恒定的，II型裂纹的应力强度因子用KII表示，由断裂力学解析解，可得II型裂纹尖端附近的应力场和位移场为：

王宏畅等研究人员采用断裂力学理论，应用大型商业通用有限元软件ABAQUS对半刚性基层的底裂缝及表面裂缝产生的各影响因素进行力学分析，为黄土地区及全国半刚性基层路面的设计和施工提供一定设计演算参考；黄均平和肖远见采用线弹性断裂力学的方法，讨论了权函数法确定路面应力强度因子的准确性问题，并利用ABAQUS进行计算机模拟，将弯曲应力和弯沉与Westergard理论解和CHEVRON计算程序模拟结果进行比较，得出了3种比较一致的结论，而CHEVRON计算程序所得结果与AASHO路面测试结果相一致，这也说明权函数法计算路面应力强度因子是准确可靠的；周志刚等利用线弹性断裂力学的平面有限元法模拟加筋材料的薄膜单元，对土工加筋材料阻止沥青路面反射裂缝的桥联增韧效应进行了分析；彭妙娟等人用有限元法对西安到三原一级公路模型在温度和荷载共同作用下的应力和裂缝尖端的应力强度因子进行了计算，估算了疲劳寿命，讨论了西三线半刚性基层沥青路面的开裂机理；岳福青和杨春风运用ANSYS计算了半刚性基层沥青路面温缩反射裂缝尖端的应力强度因子，并对影响其大小的各因素进行了敏感性分析，结果表明：基层和面层的模量、温缩系数增大会不同程度的导致裂缝尖端应力强度因子的增大；而增加面层厚度能有效降低温缩裂缝尖端强度因子。同时还研究了行车荷载与温度荷载耦合作用下裂缝尖端应力场的强度特征，在这2种荷载共同作用时的裂缝扩展为复合型扩展。孙雅珍和赵颖华利用粘弹性与损伤的分析理论，应用ANSYS提供的宏命令和FORTRAN编制的程序结合起来对含反射裂缝沥青路面进行了三维粘弹性有限元分析，模拟了裂缝的扩展过程，得到了不同加载时间和不同变温的裂缝扩展情况；三种变温条件下，对损伤区和断裂区定量分析表明，当气温低于-20℃时，路面劣化加剧。探讨了不同初始裂缝长度对路面劣化的影响，结果表明，初始裂缝长度对路面劣化影响显著；损伤因子和裂缝长度的变化趋势相似，均可以用来评价路面的疲劳寿命。

（四）结束语

有限元软件的出现为沥青路面的力学分析提供了一个强有力的工具，它避免了复杂的解析推导，可以很方便地模拟道路材料的各种非线性，考虑有限尺寸的路面结构，考虑任意的轮载形式，弥补了多层弹性理论体系的不足，可以预见这些大型通用有限元软件在未来路面计算中起到不可估量的作用；断裂力学在道路工程中的应用也得到了重视，将断裂力学与有限元方法结合应用于沥青路面裂缝扩展分析成为一种新思路，目前国内外许多专家学者已经尝试从断裂力学的角度对裂缝扩展问题进行分析，从而采取相应的防治沥青路面裂缝措施用以指导路面结构设计和工程实际。

[1] 彭妙娟,张登良.半刚性基层沥青路面的断裂力学计算方法及应用[J].中国公路学报,1998,11.

[2] 洪花,朴雄伟,等.断裂力学在沥青混凝土路面中的应用研究现状[J].科技创新导报,2008.

[3] 范天佑.断裂力学基础[M].江苏科学技术出版社,1978.

U416.2

A

1008-1151(2010)04-0090-02

2010-01-18

刘晓丰（1983－），男，湖南娄底人，中南大学土木建筑学院在读硕士，研究方向为沥青混凝土路面载裂缝有限元分析。