低温下公路面层反射裂缝的扩展研究

孙 淦 田鑫雨 钱 涛 赵丽君

（1.绍兴市城投再生资源有限公司，浙江绍兴 312000；2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000）

脆性材料在航空、汽车领域内的应用越来越广泛，脆性材料的断裂和失效问题是研究人员热衷的话题。我国大部分高速公路采用半刚性结构，结构包括沥青路面、半刚性基层和底基层。

沥青材料的塑性随温度变化，在一定范围内，温度与塑性呈正比，在低温状态下，沥青材料呈现脆性，有必要研究低温环境下基层裂缝对面层反射裂缝的扩展[1-3]。

路面反射裂缝的主要研究方法包括试验研究[4-10]、理论分析[11-12]和数值模拟[13-17]。付其林等[5]、冯新军等[6]、袁高昂等[10]等对沥青碎石的级配进行研究与对比，得到沥青稳定碎石油石比和空隙率与抗反射裂缝能力之间的关系。周富杰等[4]、周刚等[8]发现，加铺土工网、土工格栅聚氨酯改性卷材、特殊金属网格和经编复合聚酯玻纤布对抗反射裂缝有较好的帮助。

路面反射裂缝的理论分析主要以静力学分析法、断裂及损伤力学为主，为反射裂缝研究提供丰富的理论支撑[11-12]。宋建民等[16]和黄立葵等[17]对沥青面层反射裂缝扩展过程进行数值模拟，发现增加面层厚度和减小基层弹性模量可以延长面层反射裂缝的疲劳寿命。

探究反射裂缝的扩展机制方面，现有研究多针对填料级配和道路结构分层厚度，大部分研究只针对常温条件，较少考虑低温工况以及基层初始裂缝状态对反射裂缝扩展的影响。现有研究多集中在裂缝的开裂机制方面，基层上裂缝的分布情况对反射裂缝的影响研究较为匮乏，尤其是基层上裂缝的倾角对反射裂缝的影响研究更少。文章拟采用数值模拟的方法，在基层设置0°、30°、45°、60°、75°倾角的裂缝，观察匀速降温过程中5种裂缝倾角对沥青路面结构整体稳定性的影响。

1 数值模型的建立及边界条件

数值模拟模型如图1所示。

图1 数值模拟模型

材料力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

裂缝长度均为20mm，宽度为2mm，裂缝间距750mm；模型左、右、下边界均固定，上表面受温度作用。为了更好地观测反射裂缝形成过程，选用加载方式为每步降低1℃，设定初始温度为0，共计加载40步。

2 应力与声发射分析

不同倾角下模型的荷载步-声发射曲线如图2所示。

图2 不同倾角下模型的荷载步-声发射曲线

曲线中声发射的量值可以反映模型中单元累计破坏量，能够在一定限度上代表道路模型的破坏程度。

不同倾角下模型的荷载步-拉力曲线如图3所示。

图3 不同倾角下模型的荷载步-拉力曲线

曲线中，水平应力大小可以直观地显示整体结构发生失稳破坏的难易程度。

（1）五种情况的声发射数量对比。

①声发射数量均有一个爆发式增长阶段，代表结构在瞬间发生失稳破坏。

②声发射数量爆发式增长随着预设裂缝倾角的增大而增大，特征表现为破坏延后。

（2）五种情况的应力水平对比。

①应力峰值整体上呈现随着倾角增大而增大的趋势，具有波动，但整体表现为破坏拉应力增大。

②应力峰值对应步数整体上随着预设裂缝倾角的增大而增大，其特征也表现为破坏延后。

产生这种现象的原因有两个方面，由预设裂缝产生的拉应力在反射裂缝的法向分量随着角度的增加而减小；破坏单元增多，需要更多的能量与时间才能被完全破坏。

3 结语

对预设的五种倾角模型进行声发射情况以及水平方向拉压应力研究，发现破坏温度最低的模型预制倾角为75°，贯通裂缝出现的时间最晚。从整体上分析，五种模型的整体结构失稳破坏时，声发射数量随倾角的增大呈现波动式增长，结构难以被破坏。可以使用设置预设缝预防道路开裂，隔一段长度设置一条竖直缝，进行填缝。可通过一些手段设置倾角大的缝，养护后应尽量将精力放在修补倾角小的裂缝上。