摘要：开裂是沥青路面主要病害之一。裂缝的成因是各种损坏形式中最复杂的。主要因素包括沥青与沥青混合料的材料性质、各结构层的模量与厚度等内部因素，以及气候条件、交通状况和施工工艺等外界因素。按沥青路面开裂产生的主要原因，可将沥青路面裂缝分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝，即主要由于行车荷载作用而产生的裂缝。非荷载型裂缝，即不是由行车荷载引起的裂缝。沥青面层上的非荷载裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝主要是横向裂缝，也有纵向裂缝。
关键词：关键词：沥青路面；表面开裂；行车荷载；环境
一、环境及荷载对沥青路面开裂的影响
沥青混凝土路面的开裂模式从裂缝扩展方向上可分为由下至上扩展和由上至下扩展两种。其中由下至上扩展的裂缝主要有：1.传统疲劳裂缝，由于沥青面层底部拉应力或拉应变的反复作用引起，从沥青面层底部开始并向上扩展；2.反射裂缝，基层已有裂缝或旧路面加铺时，旧路接缝处产生应力集中，导致面层底部产生裂缝并向上扩展，贯穿沥青面层。随着设计水平、施工技术的提高，反射裂缝等沥青路面传统的损坏形式正逐年减少。坑洞、坑槽等由路表开裂发展而来的路表损坏频频出现。这是一种比传统的疲劳裂纹更为严重的情况，尽管有些表面裂纹初期对路面结构的承载力没有影响，但它们对磨耗层的耐久性和功能寿命有强烈的影响而且还导致水和其它外来杂物渗入到路面结构中，增加了裂纹尖端的应力集中，使裂纹以加速的速率扩展穿透沥青混凝土面层。沥青路面一旦出现裂纹，就会降低路面结构体扩散荷载的能力。
在分析沥青路面结构时，通常假定路面各层为平面无限大的弹性层，路基为弹性半空间体。采用有限元计算时，无法将模型的尺寸取为无穷大，只能在建立模型时尽量将模型尺寸取得大一些。但尺寸过大，则会大大增加计算工作量。因此要合理确定其计算模型的尺寸，使其在保证计算精度的同时，又不增加过多的计算工作量。根据以往的计算经验，也为了模型计算的方便，本文确定建立两种路面结构模型，即：三维模型分析沥青路面路表开裂机理和二维平面应变模型分析沥青路面裂纹应力强度因子。
图1 三维模型平面视图
图2 二维路面结构模型
路面结构为四层连续体系，基层为半刚性基层。整个计算过程假定：基层材料、沥青混凝土和地基考虑成线弹性的各向同性、均匀的材料；层与层之间始终保持完全连接状态；横向裂缝间距是均匀的，横向裂缝贯穿路面的整个宽度，且所有裂缝面均为自由面。作用于路面的实际荷载为运动荷载，鉴于国内沥青路面设计规范中路面厚度计算是静态的计算，因此，分析过程中忽略了动荷载效应的影响。用二维八结点结构体单元作为分析的基本有限元单元，适用于二维断裂分析和温度分析。用八结点等参单元作为三维模型的有限元单元。
影响路面温度状况的因素有两大类，即外部因素和内部因素。外部因素包括温度、太阳辐射、风速、降雨量等气象因素，其中气温是关键因素，其次为太阳辐射。内部因素包括路面的热传导、热容量、对辐射热的吸收能力以及路面结构组合、厚度等。
二、沥青路面表面开裂机理研究和强度分析
车辆行驶时路面受到的滚动摩擦力的水平荷载、制动过程中产生的水平荷载；行驶过程在一般最小半径路段和极限最小路段时，因横向力而产生的侧向水平荷载；在加油站和公交车站台附近，车辆经常刹车和启动，也经常出现水平力，等等。关于水平荷载对路面结构力学响应的文献不多，把路面结构简化为二维模型，利用有限元法分析了水平荷载大小、结构层特性及不同荷载图式等因素对路面结构层的力学响应。水平荷载系数，即水平荷载与垂直荷载的比值分别取 0.1、0.3和0.5，均布垂直荷载为0.7 MPa，荷载半径为107.5mm。认为水平荷载对路面5cm内的影响较大。利用有限元软件MSC. NASTRAN，建立路面结构三维模型，对非均布垂直荷载和水平荷载作用下的沥青路面进行应力计算分析。考虑了轮胎与路面间的接触压力具有很明显的非均布特性，不同于传统的双圆均布垂直荷载。根据轮胎胎面花纹类型，并参考接触压力的测试结果，提出车轮对路面作用的荷载简化模型。同样取水平荷载系数为0.1、0.3和0.5。计算结果表明，水平荷载的大小对路面10cm的影响较大。
水平荷载和垂直荷载是联系在一起的，没有单纯的水平荷载。但为了对比水平荷载与垂直荷载对路面结构的力学响应，本文对路面只受水平荷载的情况进行了分析。水平荷载也是采用水平荷载系数。均布垂直荷载取定值0.7MPa。
三、温度荷载作用分析
沥青路面裸露阳光下，受太阳辐射影响大。在夏季高温季节，沥青路面温度高达60℃，若骤降暴雨，沥青路面温度将急剧降低，降低约20℃～30℃。这可能是没有了太阳辐射、气温降低和周围空气对流的加剧等原因，破坏了没降温前的热平衡状态，沥青路面急剧释放热量导致温度急剧降低，而急剧的降温将产生温度收缩应力。这种骤然降温产生的温度应力对沥青路面开裂影响有多大，建立沥青路面三维有限元模型，定量分析骤然降温下沥青路面的温度应力。
（1）温度应力随深度的增加而减小，最大温度应力出现在路表；
（2）初始温度越高，降温后产生的温度应力越大。在降温速度为10℃/h，60℃的初始温度降温后路面表面产生的温度应力是35℃初始温度的3.41倍，而5℃/h时，60℃的初始温度降温后路面表面产生的温度应力是35℃初始温度的6.31倍；
（3）降温速度大，产生的温度应力也大。60℃的初始温度，10℃/h降温产生的温度应力比5℃/h降温产生的温度应力增大了4.44%～11.34%，35℃的初始温度，10℃/h降温产生的温度应力比5℃/h降温产生的温度应力增大了54.96%～106.28%，增加的幅度随深度的增加而减小；
（4）温度仅对80mm深范围内的温度应力影响大，深度80～180mm内，温度应力变化小，特别是在180mm深度处最大温度应力为0.0027399MPa，最小温度应力是0.0001833MPa，对结构的影响已可忽略不计。与垂直荷载相比，温度荷载没有产生剪应力，所受的温度应力均为拉应力。垂直荷载作用下，面层结构体仅有剪应力，没有出现拉应力。而与水平荷载作用相比，最大温度应力仅相当于0.02水平荷载系数下的最大拉应力0.23743MPa。
参考文献：
[1]钱国平，郭忠印，郑健龙，等.环境条件下沥青路面热黏弹性温度应力计算[J].同济大学学报，2014.
[2]郑健龙，关宏信.温缩型反射裂缝的热黏弹性有限元分析[J].中国公路学报，2014.
论文作者:王浩,熊帆
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/31
标签：荷载论文; 应力论文; 温度论文; 路面论文; 裂缝论文; 沥青路面论文; 水平论文; 《基层建设》2018年第10期论文;