刚性基层沥青路面沥青层破坏行为与机理

李盛，陈尚武，刘朝晖，李宇峙

(长沙理工大学 公路养护技术国家工程实验室，湖南 长沙，410004)

刚性基层沥青路面沥青层破坏行为与机理

李盛，陈尚武，刘朝晖，李宇峙

(长沙理工大学 公路养护技术国家工程实验室，湖南 长沙，410004)

针对刚性基层沥青路面结构的特点和现有研究的不足，运用损伤力学理论和数值仿真法，并结合对实体工程的观测，研究刚性基层沥青路面沥青层的破坏行为与机理。研究结果表明：刚性基层沥青路面的车辙深度随荷载作用次数的增加而增加，但增加幅度随作用次数的增加不断减小，且车辙深度比其他路面结构的小；在沥青层表面以下1/5厚度左右处及接缝附近的沥青层底面易出现剪切疲劳损伤，建议沥青层的厚度不宜太薄，应在接缝处采取一定的抗裂措施。沥青层的纵向裂缝主要集中在行车道轮迹带附近，部分横向裂缝也仅从表面向下延伸2 cm左右，这些裂缝均为Top−Down裂缝。连续配筋混凝土板上沥青层有少量反射裂缝和Top−Down裂缝，要严格控制钢筋埋置深度处缝隙的宽度。

道路工程；刚性基层沥青路面；车辙变形；疲劳损伤；剪切疲劳；开裂机理

刚性基层沥青路面是一种使用性能良好的结构形式，具有整体强度高、使用寿命长、行车舒适性好、维修费用小等优点，从长期使用性能来看，经济性也较好[1−3]。修筑刚性基层沥青路面也能减少对石油资源的依赖，并充分利用我国相对丰富的水泥、砂石等材料，促进当地经济发展。近年来，湖南、江苏、河北、山西等省在新建高速公路中修筑了刚性基层沥青路面实体工程和试验路，湖南省近3 a在高速公路提质改造工程中修筑了约300 km的连续配筋混凝土刚性基层沥青路面。刚性基层沥青路面结构复杂且有其自身的特点，目前国内外对其破坏模式的研究较少，且有一定的局限性，如未考虑刚性基层的结构特征，也没有对实体工程进行针对性的调研，不能全面地反映刚性基层沥青路面的破坏行为。为此，本文作者针对刚性基层沥青路面结构的特点，运用损伤力学理论和数值仿真法，并结合对实体工程的观测结果，研究沥青层的车辙变形、剪切疲劳破坏、反射裂缝及Top−Down裂缝等破坏行为与机理，以便为刚性基层沥青路面设计和推广应用提供理论依据，也可为其他沥青路面结构的抗裂研究与设计提供理论参考。

1　沥青层的车辙变形

刚性基层沥青路面中刚性层是主要承重层，沥青层为提高路面使用性能的功能层，其温度场的分布规律与普通混凝土路面和沥青路面不同[3]。沥青层的车辙变形主要发生在高温季节，计算和分析高温季节在一定温度场下的车辙深度，可为刚性基层沥青路面结构层厚度的合理化设计提供参考和依据。

1.1车辙计算理论与模型

路面结构的温度场为瞬态温度场，沥青层的黏弹性受温度影响较大，尤其是高温的影响。在路面车辙分析时，需引入路面结构的实际温度场，并考虑材料特性随温度的连续变化，材料模型采用蠕变模型和弹性模型。根据已有研究成果并结合室内试验的回归结果[3−4]，对温度场与沥青混合料弹性及蠕变参数取值，其中：A，m和n为模型参数，通常A＞0，n＞0，−1＜m≤0，R为相关系数。沥青混合料弹性及蠕变参数取值如表1所示。

根据交通量调查情况，确定不同时段即各分析步内轴载累积作用次数所占比例，结合已有研究成果的计算方法[3−4]，计算出各分析步内轴载累积作用的时间，也就是分析步时长，导入与分析步对应的温度场。采用时间硬化蠕变模型模拟连续变温条件下的车辙变形，对计算结果进行后处理，车辙深度为总变形的计算值减去弹性变形的计算值。

1.2车辙变形的有限元计算

分析在高温季节下荷载作用次数与车辙变形的关系，计算荷载作用次数为0～2×106次对应的车辙深度，车辙深度与荷载作用次数的关系如图1所示。

表1　沥青混合料弹性及蠕变参数Table 1 Parameters of elastic and creep for asphalt mixture

图1　车辙深度与荷载作用次数的关系Fig. 1 Relationship between rutting depth and load times

由图1可知：随着荷载作用次数的不断增加，刚性基层沥青路面的车辙深度不断增加，但增加幅度随作用次数的增加不断减小。研究中计算的是高温季节下的车辙变形，所以车辙深度相对较大。

1.3车辙变形检测结果分析

本文作者所在课题组结合湖南省交通科技计划项目“湖南高速公路路面典型结构及技术研究”，在湖南省常吉高速公路修筑了7种典型路面结构的试验路。通车3 a后，采用T0973—2008[5]对试验路中4种基层类型有代表性的路面结构进行车辙检测，检测数据为最大车辙深度，其中右幅行车道车辙的部分检测结果如表2所示。

从表2可以看出：刚性基层沥青路面的车辙深度相对较小，这种优势与其他路面结构相比体现得更为明显。本文作者对2003年改建通车的京港澳国家高速公路长潭段(刚性层为连续配筋混凝土) 也进行了长期的跟踪观测，该路地处南方炎热地区且在交通量大、重车多的条件下运行，但检测结果显示车辙深度也相对较小。

表2　车辙变形检测结果Table 2 Measurement result of rutting deformation

2　沥青层的剪切疲劳破坏

车辆在行驶过程中，由于沥青层受压应力和由车轮与路表摩擦产生的面应力，在车辆荷载的反复作用下，路面结构的性能不断衰减，体现出一定的剪切疲劳损伤演化特性。由于沥青层与刚性层的模量相差较大，且刚性基层沥青路面的沥青层一般较薄，在高温和荷载的长期作用下，沥青层的劲度模量和黏聚力不断减小，沥青层易因抗剪能力不足而引起剪切疲劳损伤和开裂，需要引起足够的重视。

2.1剪切疲劳损伤计算理论与方法

沥青层的疲劳损伤演化呈非线性衰减规律[6−9]。计算中采用CHABOCHE等[10]提出的一维疲劳损伤演化方程，即

式中：σ为应力；D为损伤变量；N为疲劳荷载的重复作用次数；a*，p和q分别为材料的损伤特性参数，根据相关文献的研究成果[8−9]，a*取7×10−6，p取3.25，q取0。沥青层的疲劳损伤演化的过程为材料不断劣化，模量不断减小，本构关系不断改变的过程。

根据损伤力学理论和材料的本构关系，运用Fortran语言编制子程序，以代码的形式扩展有限元主程序的功能，从而实现应力循环、用户材料子程序(UMAT)调用、损伤演化计算及分析等，有限元分析流程如图2所示。

图2　疲劳损伤有限元法分析流程Fig. 2 Analysis flow of fatigue damage using finite element method

刚性基层沥青路面是在弹性半空间地基上的弹性薄板上加铺沥青层的复杂结构，计算中其主要参数取值及基准模型示意同文献[9]。层间接触以库仑摩擦理论为基础，采用弹性滑动的罚摩擦公式近似处理，ABAQUS自动选择罚刚度，以有利于路面层间的剪应力松弛，从而减小其应力突变。

2.2剪切疲劳破坏模式与机理

根据上述剪切疲劳损伤计算理论与方法，计算刚性层在有接缝和无接缝2种情况下，沥青层的剪切疲劳损伤演化规律，计算结果云图如图3～4所示。

由图3可知：在行车荷载的重复剪切作用下，非接缝处沥青层的剪切疲劳损伤主要出现在沥青层表面以下1/5厚度左右处，使沥青层表面可能产生推移和开裂。刚性基层接缝处对应沥青层的剪切疲劳损伤演化规律与车辆的行驶状态有关，即与车轮与路面之间的摩擦因数 (也称水平力系数)有关，车辆正常行驶时水平力系数一般为0.1，紧急制动时为0.5[2]。

由图4可知：在车辆紧急制动状态进行仿真模拟时，沥青层内部先是表面以下1/5厚度左右处出现剪切疲劳损伤，再是接缝处对应的沥青层底面附近出现疲劳损伤，最终形成贯通整个沥青层的剪切疲劳开裂。按同样的方法，对车辆正常行驶状态进行仿真模拟，结果显示接缝处的沥青层底面附近和沥青层表面以下1/5厚度左右处均会出现剪切疲劳损伤，但在同一时期，接缝处沥青层底面附近的损伤值略大，即接缝处的沥青层底面附近会先于沥青层表面出现剪切疲劳开裂，最终表现为贯通整个沥青层的剪切疲劳开裂。

高温季节在道路的长大纵坡、收费站、弯道处等，由于车辆加减速频繁，轮胎对路面会产生较大的水平力，沥青层易产生剪切疲劳损伤，出现推移和开裂。由于沥青层与刚性层的模量相差较大，膨胀收缩时变形协调性差[11]，且刚性基层沥青路面的沥青层一般较薄，当贯通沥青层的开裂出现后，在行车荷载的重复作用下，沥青层会沿与刚性基层的接触界面产生层间滑移和开裂[12]。

图3　沥青层的剪切疲劳损伤云图Fig. 3 Contour of shear fatigue damage of asphalt layer

图4　接缝处沥青层的剪切疲劳损伤云图Fig. 4 Contour of shear fatigue damage of asphalt layer at joint

3　沥青层的开裂行为及特征

当刚性基层沥青路面沥青层厚度较薄时，车辙深度相对较小，主要病害为沥青层开裂，且沥青层的开裂行为如不能得到控制将影响刚性层的耐久性[13−15]。作者近5 a对湖南省的长潭高速公路、长永高速公路黄花至永安段、常吉高速公路试验路的刚性基层沥青路面实体工程进行了跟踪观测和钻芯取样，结果也表明刚性基层沥青路面车辙深度相对较小，沥青层的开裂主要为至上而下的(Top−Down)裂缝、反射裂缝、滑移开裂3大类。

3.1沥青层反射裂缝的形成机理

根据上述损伤力学理论与计算方法，运用有限元软件及其2次开发平台进行仿真计算，研究重复荷载作用下，刚性基层接缝处沥青层的损伤开裂机理，计算结果云图如图5所示。

由图5可见：在荷载的反复作用下，荷载作用一侧的沥青层底面在接缝附近会受到拉应力，从而产生疲劳损伤。损伤开裂后，裂缝尖端在荷载和温度的反复作用下，从沥青层底向上扩展，最终形成反射裂缝，且刚性基层沥青路面的沥青层厚度一般较薄，反射裂缝更易形成，建议在接缝处采取一定的抗裂措施，如设置加筋层、应力吸收层、抗裂铺装夹层等。

2011年5月本文作者对湖南省常吉高速公路主线的试验段和茶庵铺互通连接线(横缝设传力杆的普通混凝土基层沥青路面)进行了观测，并在连接线的裂缝处钻芯取样，如图6所示。

从图6可知：裂缝主要为混凝土基层接缝引起的反射裂缝，观测时在主线试验段刚性基层沥青路面(刚性层为连续配筋混凝土板)并未发现裂缝，产生这一现象的主要原因是横缝设传力杆的普通混凝土板与连续配筋混凝土板相比存在一定的缺陷，接缝缝隙的宽度较大，且传荷能力有限。此外，沥青层较薄也是造成反射裂缝较早出现的原因之一，原设计为6 cm，实测芯样时仅为5 cm。

3.2沥青层的Top−Down裂缝

对实体工程的跟踪观测中发现：部分沥青层的横向裂缝仅从表面向下延伸2 cm左右，为Top−Down裂缝。纵向裂缝主要集中在行车道轮迹带附近，从芯样来看，大多纵向裂缝没有贯通沥青层，也主要为Top−Down疲劳开裂。因沥青层开裂后都进行了灌缝处理，芯样中的裂缝宽度较小。Top−Down开裂是沥青路面多种病害的诱因与条件，严重的Top−Down开裂还会形成网裂，使沥青层出现松散、剥落、坑槽等病害，严重影响路面的行驶质量和行车安全[16]。

对于刚性基层沥青路面这种特殊结构，Top−Down开裂会导致沥青层整体性和连续性受到破坏，扩散荷载的能力降低，且刚性基层沥青路面的沥青层较薄，Top−Down裂缝更易贯穿整个沥青层，使雨水进入路面结构内部，影响刚性混凝土层的耐久性。刚性基层沥青路面作为耐久性路面结构，如不能掌握沥青层的Top−Down开裂机理并采取有效的控制方法，将使这种前期投资成本较高的路面结构出现早期病害，增加养护费用，造成投资浪费并产生不良的社会影响。

3.3连续配筋混凝土(CRC)板上沥青层的开裂行为

CRC板由于纵向连续配置钢筋，允许产生横向随机裂缝，并通过合理的纵向配筋率来控制横向裂缝间距和缝隙宽度，是一种刚性层不设接缝的路面结构，沥青层的裂缝相对较少，主要为少量的横向裂缝和行车道上轮迹带附近的纵向Top−Down裂缝。

本文作者所在课题组对京港澳国家高速公路长潭段的裂缝情况进行了长期跟踪观测，并在横向裂缝处进行了钻芯取样，如图7所示。从图7可知：部分横向裂缝是由CRC板横向裂缝引起的反射裂缝，现行规范要求钢筋埋置深度处缝隙平均宽度≤0.5 mm，而从芯样观察可知，钢筋埋置深度处缝隙宽度远大于这一控制值，一般约为5 mm，造成这一现象的主要原因是对水泥混凝土的施工质量控制不够，所以要严格控制纵向配筋率与水泥混凝土的水灰质量比及坍落度，以保证CRC板横向裂缝的缝隙宽度满足规范要求，只有这样才能充分发挥CRC板的优势。

图7　横向裂缝处芯样情况Fig. 7 Core sample from transverse crack

4　结论

1) 刚性基层沥青路面的车辙深度随荷载作用次数的增加而增加，但递增幅度随作用次数的增加不断减小；与其他路面结构的车辙深度相比，刚性基层沥青路面的车辙深度相对较小。

2) 在行车荷载的重复剪切作用下，沥青层表面以下1/5厚度左右处会产生损伤开裂，接缝处的沥青层底面附近也易出现损伤开裂，从而导致贯通整个沥青层的剪切疲劳开裂。

3) 在荷载反复作用下，在接缝附近的沥青层底面会出现损伤开裂并最终形成反射裂缝，因刚性基层沥青路面的沥青层厚度一般较薄，反射裂缝更易形成，建议沥青层的厚度不宜太薄并应在接缝处采取一定的抗裂措施。

4) 沥青层的纵向裂缝主要集中在行车道轮迹带附近，大多没有贯通沥青层，部分横向裂缝也仅从表面向下延伸2 cm左右，这些裂缝均为Top−Down裂缝。

5) 连续配筋混凝土板上沥青层的裂缝较少，但也有一定的反射裂缝和Top−Down裂缝，要严格控制钢筋埋置深度处缝隙的宽度。

[1] 黄仰贤. 路面分析与设计[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998: 457−458. HUANG Yangxian. Pavement analysis and design[M]. Beijing: China Communications Press, 1998: 457−458.

[2] 胡长顺, 王秉纲. 复合式路面设计原理与施工技术[M]. 北京:人民交通出版社, 1999: 1−3. HU Changshun, WANG Binggang. Design principle and construction technology of composite pavements[M]. Beijing: China Communications Press, 1999: 1−3.

[3] 李盛, 刘朝晖, 李宇峙. CRC+AC复合式路面结构层厚度对温度效应及车辙变形的影响[J]. 中国公路学报, 2012, 25(1): 21−28. LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi. Influence of structure layer thickness of CRC+AC composite pavement on temperature effect and rutting deformation[J]. China Journal of Highway and Transport, 2012, 25(1): 21−28.

[4] 廖公云, 黄晓明. ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用[M]. 南京: 东南大学出版社, 2008: 153−160. LIAO Gongyun, HUANG Xiaoming. Application of ABAQUS finite element software in highway engineering[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2008: 153−160.

[5] JTG E60—2008, 公路路基路面现场测试规程[S]. JTG E60—2008, Field test methods of subgrade and pavement for highway engineering[S].

[6] 吴旷怀, 张肖宁. 沥青混合料疲劳损伤非线性演化统一模型试验研究[J]. 公路, 2009(5): 125−129. WU Kuanghuai, ZHANG Xiaoning. Experimental research on uniform model for nonlinear evolution equation of fatigue damage of asphalt mixture[J]. Highway, 2009(5): 125−129.

[7] 郑健龙, 吕松涛. 沥青混合料非线性疲劳损伤模型[J]. 中国公路学报, 2009, 22(5): 21−28. ZHENG Jianlong, LÜ Songtao. Nonlinear fatigue damage model for asphalt mixtures[J]. China Journal of Highway and Transport, 2009, 22(5): 21−28.

[8] 周志刚. 交通荷载下沥青类路面疲劳损伤开裂研究[D]. 长沙:中南大学土木建筑学院, 2003: 102−103. ZHOU Zhigang. A research on the fatigue damage cracking in asphalt pavement under traffic load[D]. Changsha: Central South University. School of Civil and Architectural Engineering, 2003: 102−103.

[9] 李盛, 刘朝晖, 李宇峙. 刚柔复合式路面沥青层荷载疲劳损伤特性及开裂机理[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(9): 3857−3862. LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi. Fatigue damage characteristics and cracking mechanism of asphalt concrete layer of rigid-flexible composite pavement under load[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(9): 3857−3862.

[10] 张行. 断裂与损伤力学[M]. 北京: 北京航天航空大学出版社, 2006: 405−434. ZHANG Xing. Fracture and damage mechanics[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2006: 405−434.

[11] 李盛, 刘朝晖, 李宇峙. 连续配筋混凝土复合式沥青路面层间剪应力及结构[J]. 公路交通科技, 2012, 29(8): 8−14. LI Sheng, LIU Zhaohui, LI Yuzhi. Interlaminar shear stress and structure of continuously reinforced concrete composite asphalt pavement[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(8): 8−14.

[12] LI Sheng, LIU Xingwu, LIU Zhaohui. Interlaminar shear fatigue and damage characteristics of asphalt layer for asphalt overlay on rigid pavement[J]. Construction and Building Materials, 2014, 68: 341−347.

[13] LI Sheng, LIU Zhaohui. Study on crack extension of the AC layer of CRC+AC composite pavement[J]. Mechanika, 2012, 18(2): 141−147.

[14] MUN S, LEE S. Determination of the fatigue-cracking resistance of asphalt concrete mixtures at low temperatures[J]. Cold Regions Science and Technology, 2010, 61(2/3): 116−124.

[15] CEYLAN H, GOPALAKRISHNAN K, LYTTON R L. Neural networks modeling of stress growth in asphalt overlays due to load and thermal effects during reflection cracking[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2011, 23(3): 221−229.

[16] MIAO Y, HE T G, YANG Q, et al. Multi-domain hybrid boundary node method for evaluating Top−Down crack in asphalt pavements[J]. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2010, 34(9): 755−760.

(编辑 刘锦伟)

Damage behavior and mechanism of asphalt layer of rigid base asphalt pavement

LI Sheng, CHEN Shangwu, LIU Zhaohui, LI Yuzhi
(State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Based on the structure characteristics and the deficiencies of the existing studies of rigid base asphalt pavement, the theories of damage mechanics and simulation method were used to analyze the damage behavior and mechanism of the rigid base asphalt pavement, and the entity engineerings were observed and analyzed. The results show that the rutting deformation of rigid base asphalt pavement increases with the increase of load times, but the increase amplitude decreases continuously, and the rutting deformation is smaller than that of other structure. The asphalt layer of which is below the surface about 1/5 thickness and the bottom surface at the joint are prone to shear fatigue damage. It is recommended that the thickness of asphalt layer should not be too thin and should take certain anti-crack measures at the joints. Longitudinal cracks of asphalt layer are mainly nearby the wheel track of traffic lane, some transverse cracks also extend only from the surface down about 2 cm, and these cracks are Top−Down cracks. There are small amounts of reflection cracks and Top−Down cracks in the asphalt layer overlay on continuously reinforced concrete slab, and the crack width at the embedment depth of steel should be controlled strictly.

road engineering; rigid base asphalt pavement; rutting deformation; fatigue damage; shear fatigue; cracking mechanism

U416.224；U416.01

A

1672−7207(2016)03−1065−06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.046

2015−03−08；

2015−05−09

湖南省自然科学基金资助项目(14JJ7041)；湖南省教育厅科学研究项目(14B001)；公路养护技术国家工程实验室开放基金资助项目(kfj150102) (Project(14JJ7041) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(14B001) supported by the Educational Commission of Hunan Province; Project(kfj150102) supported by the Open Fund of State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology)

李盛，博士，副教授，从事道路工程研究；E-mail: lishengttt@163.com