摘要：众所周知，级配碎石材料用于基层具有低模量、应力扩散能力较差、大塑性变形的特点。利用ABAQUS有限元法和断裂力学分析，本文得出结论，设置路用水基聚合物（SRX级配碎石）夹层的沥青路面可以有效防止反射裂缝。同时，它可以减少弯曲应力和防止破坏面层。研究结果为沥青路面下合理设置夹层提供了理论依据。
关键词：级配碎石；SRX；反射裂缝
级配碎石作为上基层材料时，由于自身结构上的特点以及特殊的受力状态使得级配碎石层能充分吸收其下卧层裂缝释放的应变能，从而达到抑制裂缝的结果。它的缺点主要是刚度或回弹模量小，应力扩散能力差，塑性变形大等。为了改善级配碎石以上主要缺陷，在不影响级配碎石作为柔性基层所具有较弱的板体性，优良的透水性的基础上，笔者在级配碎石中添加适量的SRX水基-聚合物（下文简称SRX级配碎石），以增加材料的刚性，减小其塑性变形。本文运用ABAQUS有限元计算方法对SRX级配碎石夹层路面结构进行断裂力学分析。
0 断裂力学基本理论
（1）裂缝的基本类型
根据断裂力学理论，裂缝的扩展有以下3种模式（见图1）：张开模式（Ⅰ型）、剪切模式（Ⅱ型）及撕开模式（Ⅲ型）。
图1 裂缝扩展模式.png)
一般认为路面结构内的裂缝扩展主要是Ⅰ型和Ⅱ型。当汽车荷载作用在裂缝的正上方时，裂缝处的沥青层内产生压应力，裂缝将以张开模式引发沥青层的反射裂缝；当汽车荷载作用在裂缝之前或之后时，裂缝两侧沥青层的受力不均匀，旧面板裂缝将以剪切模式引发沥青层的反射裂缝；在温度应力作用下，裂缝主要以张开模式引发反射裂缝。撕开模式由于与路面受力不符，因此不存在。本文也只考虑张开模式。
（2）建立奇异单元模式
本文采用由Shaw和Barsoum提出的1/4节点单元法，这样处理以后，可以很好地模拟裂缝尖端的奇异性问题，并且单元不用划分得非常细，可以大大减轻划分网格的工作强度，节约计算时间。
1级配碎石夹层路面结构
1.1路面结构设计参数
SRX级配碎石采用有侧限顶面法错误！未找到引用源。测得抗压模量500Mpa～700Mpa。
2有限元模型建立
2.1ABAQUS程序
ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一。具有广泛的模拟性能。本文采用ABAQUS大型有限元程序来进行夹层路面结构断裂力学分析。
2.2基本假设
考虑到有裂缝基层路面结构的实际受力情况，将模型作以下简化；
（1）沥青混合料在低温条件下主要表现为弹性性能，按线性假设进行分析；
（2）除裂缝面是由一系列不连续点构成以外，各层均质、连续的、均匀的、各向同性的线弹性材料组成，力学特性用弹性模量E和泊松比μ表征；
（3）路面各结构层均为无限大的线弹性体，且层间始终保持位移和应力都完全连续，只有上下2层接触面上的水平应力不连续；
（4）路面断裂有限元分析
根据路面开裂情况，模拟级配碎石夹层路面结构和常规半刚性路面结构的裂缝形式如图2和图3所示。其中半刚性底基层均被裂缝贯穿，图4结构采用3cmAC20+4cmAC25+20cm水泥稳定碎石+15cm水泥稳定碎石，其中下基层裂缝贯穿，上基层裂缝设置为2cm。
2.3沥青路面结构形式的选取
2.4荷载的确定
按照《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-2004）的要求加载，采用后轴载重100kN作为标准轴载，单轮荷载为25kN，轮胎接地压强p为0.70MPa，当量圆半径δ为10.65cm，双圆均布垂直荷载作用。
2.5有限元计算模型
将铺有SRX级配碎石夹层的半刚性基层沥青面层路面结构近似地看作为一平面应变问题的4层连续体系，并且假定在半刚性基层中有一穿透裂缝。
图2 级配碎石夹层路面结构.png)
图3 半刚性基层路面结构.png)
2.6计算结果及其分析
从计算结果易知当半刚性基层厚度固定时，随着SRX级配碎石夹层厚度的增长对应力强度因子影响较小，夹层厚度每增加2～3cm，应力强度因子增加5%～8%，说明SRX级配碎石夹层厚度并不是越厚越好；当SRX级配碎石夹层厚度固定时，半刚性基层厚度增加，应力强度因子减小较为明显，且半刚性基层厚度增加每2～3cm，应力强度因子减小10%～20%，图4结构经计算得知应力强度因子为0.20，所以SRX级配碎石夹层对于反射裂缝具有较明显的抑制作用。随着模量的增加，面层层底的拉应力减小，所以增加级配碎石模量对于防止面层底部开裂也能起到一定的效果，而且模量的增加亦可以减少弯沉，较小的弯沉对应着较小的车辙，对于路面的平整度起到一定积极作用，较高的夹层强度也能在一定程度上减少疲劳开裂。通过改变提高夹层模量，发现夹层模量进入400之后应力强度因子增长缓慢，在500~700Mpa时应力强度因子为0.077~0.0812，可见夹层模量的提高对于夹层底部的应力强度因子起到积极作用，但是SRX级配碎石属于散粒体，所以这些应力强度因子的提高对于级配碎石本身是没有太大影响的。
3.结 论
SRX级配碎石经检验属于柔性高韧性基层，半刚性基层顶面裂纹尖端的拉应力不会在碎石层内形成应力集中，即SRX级配碎石基层吸收了半刚性基层裂纹所释放的应变能。而掺加适量SRX的级配碎石提高了回弹模量，也相应减少了面层底部的弯拉应力，对于防止了面层底部开裂起到积极作用。半刚性基层厚度的提高对于应力强度因子的减小也起到较明显的效果，故可以适当增加半刚性基层的厚度。由SRX级配碎石和其下卧半刚性基层组成的“组合基层”由于下卧层刚度大，SRX级配碎石上基层因此也易于获得高压实度和较高的刚度，组合作用使路面兼具刚柔。受力上是合理的。
参考文献：
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论文作者:吴琼
论文发表刊物:《基层建设》2016年22期
论文发表时间:2016/12/12
标签：碎石论文; 裂缝论文; 应力论文; 夹层论文; 路面论文; 基层论文; 刚性论文; 《基层建设》2016年22期论文;