浅析沥青面层厚度对Top―Down裂缝的影响
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摘要：利用有限元模拟沥青路面Top-Down裂缝的出现，进而分析沥青路面面层材料参数的变化对裂缝扩展的影响。结果表明：随着面层厚度的增加，应力强度因子KI显著减小；KII在开裂扩展至距离路表面一定深度以下时，会显著减小。
1 引言
沥青路面固然有诸多优点，但在其使用过程中仍然出现了一系列值得道路工作者注意的损坏现象。其中，Top-Down裂缝就是近年来越来越受关注的一种早期损坏现象。可以采用将有限元方法引入路面反射裂缝的应力强度因子分析，采用等参八节点矩形单元及退化的六节点奇异单元，保证裂缝尖端的应力具有奇异性，并采用外推法，探讨基层模量和不同弹性模量应力吸收膜对反射裂缝的抑止作用[1～3]。研究表明，路面的表面应力集中、结构参数、混合料组成及老化状况、道路施工质量等都是导致Top-Down裂缝形成的条件[4]。本文借助有限元软件ANSYS分析沥青路面面层厚度对Top-Down裂缝的影响，为Top-Down开裂机理研究提供依据。
2 沥青路面断裂力学基本理论
在线弹性范围内，可以通过Griffith古典断裂问题的保角映射法，Westergaard复变函数法，Williams无穷级数法等求解裂纹尖端应力场和位移场。现假设裂纹为沿负x轴的一部分，有一顶端在xy坐标系原点，令 表示xy平面内一个微小区域，该区域只包括原点处的顶端点而不含其它奇异点，见图1。根据Westergaard复变函数法可以求得线弹性断裂力学中三种裂纹尖端奇异场，其中 、 和 分别是指I型、II型和III型裂纹应力强度因子。实际结构的裂纹往往不是单纯一种类型，而是任意两种或者三种裂纹的复合。在荷载作用下，路面结构表面裂纹主要表现为I型和II型裂纹的复合。应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场强的一个有效参量，可以作为判断裂纹是否将进入临界状态的一个指标。因此，求解裂纹尖端应力强度因子是非常重要的一项工作。
3 沥青路面Top-Down裂缝发育机理
当行车荷载通过时，路表轮隙中心、轮外缘及轮外缘250mm处路面容易发生初始裂缝。路面沿路深方向，距路表10mm范围内容易产生水平向拉裂，距路表45mm处容易出现水平向压裂；同时，路面距路表45mm范围内容易产生路深向拉裂，距路表面120mm以下容易产生路深向压裂。此外，从荷载接地形式影响分析看，凹形荷载会增大路面尤其是轮外缘路面受压开裂的可能性。从基层模量影响分析看，低温季节，轮外缘路面被压裂及拉裂的可能性均减小，而轮隙中心路面被拉裂的可能性增大，与真实环境温度变化时路面裂缝产生及发育情况相吻合。
面层表面附近荷载区尤其是轮隙中心处路面沿路宽方向会有较大拉应力和拉应变产生。对应三种断裂模式可知，在荷载重复作用下，当此拉应力、拉应变大于材料抗拉强度时，路面容易产生I型张开疲劳裂缝，裂缝尖端会产生很大的应力集中，继而表面裂缝会逐渐向下扩展贯穿到沥青面层底部，导致沥青面层开裂破坏。
在轮隙中心处路面同时存在沿路深方向和沿路宽方向的面内剪应力，在初始裂缝存在的情况下，面内剪应力的存在加剧了裂缝开裂扩展。
4 面层厚度对沥青路面Top-Down裂缝的影响
沥青路面的使用性能会受面层厚度的深刻影响。通常情况下，面层厚度越大，路面受力性能越好。沥青路面面层位于路面最上部，直接暴露于大气中，所承受的条件更为严苛，应该具有比较高的强度、抗变形能力以及较好的温度稳定性等。根据路基路面工程等资料，并简化计算，具体计算参数见下表1。基层厚度30cm，基层模量800Mpa；底基层厚度40cm，底基层模量550Mpa；土基模量50Mpa
表1 不同面层厚度和不同面层模量下路面结构参数
分析类型 厚度影响分析
保证土基、底基层、基层结构参数不变，只改变面层厚度，来分析面层厚度对沥青路面表面裂缝发育过程中K的影响。
从图2可以看出，不同面层厚度时面层厚度范围内路面裂缝应力强度因子随着裂缝沿路深方向切入深度的增大，呈现相似性规律；随着面层厚度增大，应力强度因子KI会一定幅度减小；面层厚度增大对开裂发展至距路表面4cm以下KII的影响较为显著，但随着面层厚度增大到一定值，这种影响逐渐减弱；II型应力强度因子值总体上比I型应力强度因子值大，说明II型开裂较I型开裂占主导；保证路面应力强度因子处于较小状态的有效方式是，无论沥青路面面层厚度多大，当裂缝扩展到5cm左右时，进行相关的养护处理，修补裂缝等。
5 结论
本文通过有限元软件ANSYS建立三维路面裂缝模型，重点模拟分析了面层厚度对沥青路面表面裂缝应力强度因子发育的影响。研究表明，随着面层厚度的增加，I型应力强度因子会显著减小；兼顾到面层厚度的增大对应力强度因子的影响不断减弱以及沥青路面的造价费用，面层厚度也不宜过厚。
参考文献
[1] 张起森，郑健龙，刘益河.半刚性基层沥青路面的开裂机理[J].土木工程学报，1992，25（2）：4，7-9
[2] 郑健龙，张起森.半刚性路面反射裂缝及其应力强度因子的有限元分析[J].岩土工程学报，1990，12（3）：22-31
[3] 李峰，孙立军.沥青路面Top-Down开裂成因的有限元分析[J].公路交通科技，2006，
[4] 毛成，邱延峻，李云鹏.沥青路面表面裂纹扩展数值模拟机影响因素分析[J].西南交通大学学报，2004，39（4）：437-441