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基于LAASM缓解层的沥青路面反射裂缝扩展路径模拟 苏海涛 郑州市大道公路工程有限公司 河南 郑州 450000 摘要：对于高寒地区，LAASM缓解层可用于解决贫混凝土基层等刚性基层沥青路面结构中的反射裂缝问题。沥青路面裂缝扩展行为研究对优化沥青路面结构设计有指导作用。本文采用FRANC2D分析路面结构中疲劳裂缝扩展。 关键词：LAASM缓解层；反射裂缝；扩展路径；模拟；沥青路面 1.设置LAASM缓解层的沥青路面结构组合 设置LAASM缓解层的沥青路面结构在外部荷载（车辆荷载与温度荷载）作用下会产生不同的应力响应，影响路面结构反射裂缝的扩展路径及其使用寿命。下面选取4种不同的结构组合（表1），分别对它们进行分析。 表1 设置LAASM缓解层的沥青路面结构组合
2.反射裂缝初始裂缝扩散角 裂缝扩展方向与裂缝面的夹角θ的大小直接反映了裂缝扩展路径的长短，扩展角度越大，裂缝扩展到路面顶面所需的路径越长。表5.20给出了不同路面结构组合初始裂缝发生扩展时的扩展角。 表2 不同沥青路面结构组合扩展角
由表2可知：结构组合1的扩展角最大，组合2、3次之，组合4的扩展角最小。在各结构层厚度相同的情况下（仅缓解层材料不同），组合1的扩展角比组合4的扩展角增大了18.02°；组合2、3与组合1仅贫混凝土基层厚度不同，组合2、3的扩展角比组合1的扩展角分别降低了1.23°和14.96°；由此可见，铺设LAASM缓解层使得路面结构的裂缝扩展角有不同程度地增长，具有延缓反射裂缝向上扩展速度的作用。 3.反射裂缝扩展路径 以表2所列材料参数和路面结构为计算数据，探讨设置LAASM缓解层的路面结构在车辆荷载与温度荷载共同作用下的裂缝扩展路径，如图1～图4所示。
图1 路面结构组合1扩展路径示意图
图2路面结构组合2扩展路径示意图
图3 路面结构组合3扩展路径示意图
图4路面结构组合4扩展路径示意图 从图中可以看出，反射裂缝从LAASM缓解层底部开始并不是直线向上扩展的，而是在一定区域内，曲折地向上扩展。在分析的四种路面结构中，路面结构组合1、2、3的各结构层材料相同，仅贫混凝土基层厚度不同，其裂缝扩展路径基本相似，从初始裂缝尖端开始，在LAASM缓解层中以“之”字形逐渐向右上方扩展，当遇到孔隙时裂缝尖端被孔隙所阻隔，待应力消减后继续向上扩展；当裂缝继续扩展进入沥青面层后，“之”字路径的曲折程度有所减缓，近似呈斜直线逐渐扩展至沥青面层顶部。在路面结构组合4中，用普通沥青混凝土（AC）取代开级配抗裂沥青碎石（LAASM）作为缓解层，其反射裂缝的扩展路径曲折程度最小，路径总长度最短，因此该路面结构的疲劳寿命最短。 4.路面疲劳寿命预测 车辆荷载的反复作用使得路面结构中裂缝或接缝位置产生周期性应力集中现象；气温的周期性变化在路面结构中产生具有一定周期性的温度应力。低水平周期性应力对路面结构的反复作用也可能引起路面结构的疲劳破坏。在贫混凝土基层裂缝部位附近，LAASM缓解层底部形成微裂缝以后，裂缝开始向上扩展，上述四种路面结构组合在裂缝扩展过程中的应力强度因子随裂缝长度的变化如图5～图8所示。
图5 组合1裂缝扩展长度与KⅠ关系曲线
图6组合2裂缝扩展长度与KⅠ关系曲线
图7 组合3裂缝扩展长度与KⅠ关系曲线
图8组合4裂缝扩展长度与KⅠ关系曲线 图中横坐标为裂缝长度，纵坐标为应力强度因子。可以看出，四种路面结构的应力强度因子随裂缝长度的变化规律是基本一致的。在裂缝扩展初期（LAASM缓解层内），应力强度因子随裂缝长度的增长变化比较缓慢；而后随着路面损伤的加剧，裂缝向路表面扩展，应力强度因子随裂缝长度增长的变化较快；在裂缝扩展中期（由LAASM缓解层逐渐过渡至沥青面层），裂缝扩展至面层中部时，裂缝长度与应力强度因子呈凹形曲线关系，裂缝扩展末期（沥青面层内），应力强度因子随裂缝长度的增长快速增大，裂缝加速向路表面扩展，造成路面结构破坏。 图9～图12列出了四种路面结构裂缝长度随荷载作用次数的变化情况。图中横坐标为裂缝长度，纵坐标为疲劳作用次数。
图9 路面结构组合1疲劳作用次数
图10路面结构组合2疲劳作用次数
图11路面结构组合3疲劳作用次数
图12路面结构组合4疲劳作用次数 由图9～图12可知，随着疲劳作用次数的增加，裂缝长度逐渐增长。在疲劳作用初期，每增加单位长度的裂缝所需的作用次数较多，裂缝扩展速度较缓；在裂缝达到一定长度后，其扩展速度加快，每增长单位长度的裂缝所需的作用次数减少；裂缝扩展末期，扩展速度急剧增大，裂缝尖端快速向路表面移动，最终穿透沥青面层到达路表，路面结构被破坏。利用二维断裂力学程序计算所得路面结构的疲劳寿命如表3所示。 表3 不同路面结构组合疲劳寿命（次）
从表3中可以看出，路面结构组合1与组合4仅缓解层类型不同而其他参数相同，组合1（LAASM缓解层）是组合4（普通AC缓解层）的疲劳作用次数的2.19倍；组合1、2、3仅贫混凝土基层厚度不同（依次为 5.结论 本文针对高寒地区半刚性基层沥青路面普遍存在的反射裂缝问题，推荐了设置LAASM缓解层的沥青路面。基于新型的沥青路面结构，提出了新型沥青路面设计指标：沥青面层表面弯沉值，沥青面层底面的拉应力，LAASM缓解层底面的拉应力，刚性基层底面的拉应力，半刚性底基层底面的拉应力和路基顶面的压应变。
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