基于應變水平進行道路結構起裂層位預估并應用斷裂力學理論闡述裂縫形成及擴展原因，采用室內試驗測試瀝青路面各結構層的極限彎拉應變，研究荷載作用下半剛性基層瀝青路面裂縫形成及擴展機理。在試驗路段的各層位布設XYJ-2型應變傳感器，監測道路結構的應變規律。結果表明：土基回彈模量較低時，原始開裂點在基層及底基層發生；裂縫尖端的應力強度因子均高于材料的斷裂韌度，原始裂縫將會由于荷載作用而持續擴張，直至形成貫通裂縫瀝青網sinoasphalt.com。

關鍵詞：瀝青路面；半剛性基層；反射裂縫；起始層位；應變水平；裂縫擴展；應力強度因子；斷裂韌度

0 引言

半剛性基層瀝青路面在我國廣泛應用[1]，如水泥穩定碎石、水泥穩定砂礫、石灰粉煤灰穩定碎石、石灰粉煤灰穩定沙礫、石灰穩定土等[2]。水泥穩定碎石及石灰粉煤灰穩定碎石具備較高的抗壓強度，并具備一定的水穩定性，廣泛應用在道路結構的基層和底基層[3]；石灰穩定土等可自成板體，且具備一定抗壓強度，廣泛應用在底基層中[4]。

采用半剛性材料的高等級公路一般選用15～20 cm面層材料，包括上面層、中面層及下面層；25～40 cm基層材料，15～30 cm底基層材料[5]。該種路面結構由于半剛性基層具備較大的剛度，所以道路結構承載能力較強，路面車轍現象較輕[6]。

調查發現：在使用2～3年，路表開裂病害就開始出現，且隨應用年限增長，開裂病害更嚴重，與實際路面設計壽命不一致[7]。半剛性基層瀝青路面設計過程中采用彈性層狀體系理論進行道路結構力學計算。在該種理論體系下，半剛性道路結構多數層位為受壓狀態，個別層位承受較小的拉應力。按照應變疲勞破壞或者應力疲勞破壞的基本準則，道路結構開裂的幾率較小，使用壽命將會很長，而這種結果顯然與道路實際使用狀況有很大差別[8]。當前，有學者采用黏彈塑性有限元數值模擬技術得到的計算結果與采用彈性層狀體系計算的結果有一定的差別，交通荷載作用下，半剛性基層道路結構原始開裂點存在爭議[9]。

針對以上問題，本文通過測試道路材料極限拉應變規律，結合在半剛性基層道路結構各層位中預埋XYJ-2型混凝土應變傳感器的方法，以應變水平預估道路結構起裂層位，闡述荷載作用下半剛性基層瀝青路面裂縫的產生及擴展機理。

1 反射裂縫試驗路面結構簡介

試驗路各結構層，見圖1。

為增加反射裂縫試驗路面數據的可靠性，選取3段不同土基特性的半剛性基層瀝青路面結構作為試驗道路進行比對：路段Ⅰ、路段Ⅱ、路段Ⅲ的土基材料分別為黏質土、土質砂、換填砂礫，抗壓回彈模量為40，70，120 MPa。試驗路段為雙向4車道，總長度為900 m。3段試驗路除土基抗壓回彈模量外其余各結構層參數均相同。

2 不同土基特性路面反射裂縫起始層位試驗

2.1室內試驗材料及方法

根據現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），采用UTM-100多功能試驗機測定瀝青混合料在加載時彎曲破壞的力學性質[10]。瀝青混合料彎曲試驗采用三分點加載?；旌狭辖涊喣氤尚秃笄懈钪瞥?50 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁，選用試驗溫度為15℃，跨徑為200 mm[11]。在跨中以50 mm/min的速度施加集中荷載，直至試件破壞。試件極限彎拉強度RB及極限彎拉應變εB計算式為

采用室內靜壓法分別制作尺寸大小為100 mm×100 mm×400 mm的SMA-13，AC-16，AC-20、水泥穩定碎石及石灰粉煤灰穩定碎石小梁試件，壓實度為98%。試件成型16 小時后拆模，并放入溫度為20℃、相對濕度為95%以上的標準養護室中養護28 天。試驗前6 小時在每塊試件底部與軸線平行的方向貼3塊應變片，參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）進行彎曲試驗。

2.2室內試驗極限拉應變測試結果

SMA-13上面層、AC-16中面層、AC-20下面層、水泥穩定碎石基層、石灰粉煤灰穩定碎石底基層的極限彎拉應變測試結果，見表1。

2.3現場試驗路結構應變規律

2.3.1試驗方案

在高等級半剛性基層道路結構各層位中預埋XYJ-2型混凝土應變傳感器，實時監測不同土基特性下各結構層應變情況。分別選用1章中的3種不同土基特性的試驗路段完成應變傳感器監測試驗，測試各結構層應變值。

2.3.2應變傳感器及其布置

選用合適的傳感器設備并盡可能提高應變傳感器的存活率，對保證測試精度至關重要[12]。XYJ-2型應變傳感器主要技術指標，見表2。

應變傳感器的立面布置，見圖 3。圖 3 中，編號 1～10 為應變傳感器。

埋設傳感器過程中，攤鋪機、壓路機振動碾壓作用會對傳感器存活率產生不利影響。為了保證采集數據精確性，須對 XYJ-2 型應變傳感器易受損處做合理埋設措施：①提前 1～3 天制作瀝青混凝土預制塊，并用水對預制塊進行養護；②精確確定所有目標布設應變傳感器點位；③將應變傳感器預先澆筑到瀝青混凝土預制塊內；④將預制塊埋設到路面不同結構中；⑤逐層攤鋪壓實瀝青路面各結構層。如此操作使傳感器放入預制塊中預先植入強度，承受振動碾壓作用下傳感器存活率依舊可得到有效保證。按上述方法將傳感器分別布置在上面層、中面層、下面層、基層及底基層 5 個結構層底部，分成兩列，分別為荷載垂直下方和荷載側向豎直布置，列間距為 35 cm，共 10 個傳感器。

2.3.3 荷載

荷載：采用我國規定的標準軸載 BZZ-100，輪胎接觸面壓力為 0.7 MPa。加載方式：采用在 3 段試驗路表處施加靜荷載，分別采集在其垂直下方和側向豎直下方各結構層底應變值。

2.4 測試結果及分析

將不同土基特性的 3 個路段所監測到的各結構層應變值做均值處理，得到該種典型路面各層位拉應變變化規律。荷載垂直下方各層位應變分布規律，見圖 4。荷載側向各層位應變分布規律，見圖 5。載側向均受到拉應變，其中上面層和中面層受到的拉應變較小。對于荷載垂直下方應變分布情況來看，3 種試驗路的上面層和中面層材料受到壓應變；而下面層受到較小的拉應變，基層和底基層監測到的為較大的拉應變值。半剛性基層路面結構存在較為明顯的受壓應變區、弱拉應變區及強拉應變區。不同土基特性下的 3 種試驗路各層受到的應變值存在差異，但是受壓區、弱拉區及強拉區分布范圍存在相同的規律。

3 起裂層位預估

3.1 應變水平計算結果比較

所謂應變水平，為結構層位所承受的實際應變值與材料極限應變的比值[13]。應變水平越高，材料的疲勞壽命越短。根據室內試驗各層材料極限彎拉應變的測試值及現場半剛性基層瀝青路面各結構層底應變檢測結果，可以計算出不同土基特性路段各結構層材料的應變水平比較，見圖 6。

3.2 不同土基特性路段起裂層位分析

由上面層至底基層大致呈現由壓應變轉為拉應變階段。上面層及中面層在荷載正下方全部處于受壓狀態，SMA-13 及 AC-16 兩類瀝青混合料應變水平為負值，荷載側向位置處有較小彎拉應變出現。當土基模量為 40 MPa 時，上面層及中面層應變水平小于26 %；土基模量為 70 MPa 時，上、中兩個面層應變水平小于 17 %；土基模量為 120 MPa 時，上、中兩個面層應變水平小于3 %。當土基模量為40～120 MPa范圍內時，上面層和中面層應變水平都比較低，故該路面結構裂縫的起裂位置在應變水平較低的上面層、中面層發生的概率較小。AC-20 瀝青混合料下面層在荷載正下方和荷載側向均受到較小的拉應變值。

當土基抗壓回彈模量為 40 MPa 時，荷載正下方下面層材料的應變水平為 3.4 %，荷載側向下面層材料的應變水平為 6.8 %。在該種低應變水平下，混合料材料的耐疲勞性能處于較好狀態，所以下面層也不是裂縫的起裂位置?；鶎映惺艿膽兯捷^大，當土基抗壓回彈模量為 40 MPa 時，荷載正下方基層材料的應變水平為 96.5 %，荷載側向基層材料的應變水平 93.5 %。在該應變水平下，車輛荷載產生的彎拉應變與材料的極限彎拉應變接近，此時基層材料將會出現原始開裂點。當土基抗壓回彈模量為 70 MPa 時，荷載正下方基層材料的應變水平為 64.6 %，荷載側向基層材料的應變水平 82.9 %。在該應變水平下，荷載引起的彎拉應變較大，基層材料容易出現開裂現象。當土基抗壓回彈模量為 120 MPa 時，荷載正下方基層材料的應變水平為 53.7 %，荷載側向基層材料的應變水平 55.2 %。此時車輛荷載產生的彎拉應變遠小于材料的極限彎拉應變，基層材料具備較強的耐疲勞性能，未達到起裂值。

底基層與土基直接接觸，是該種典型路面發生大變形的區域。當土基抗壓回彈模量為 120 MPa時，荷載正下方及荷載側向應變水平接近極限彎拉應變，出現開裂概率較高；當土基抗壓回彈模量從 70 MPa 降低到 40 MPa 過程中，荷載正下方及荷載側向應變水平均遠遠超出極限彎拉應變，原始開裂點將在底基層出現。通過對不同土基特性半剛性基層瀝青路面各層應變水平分析，預估出該類道路結構原始開裂點在基層及底基層兩個層位發生。

4 路面反射裂縫擴展、貫通形成機理研究

4.1 擴展模式及裂縫尖端應力場

斷裂力學理論認為，裂縫的擴張有 3 種基本形態：張開模式（Ⅰ型裂縫）、剪切模式（Ⅱ型裂縫）和撕開模式（Ⅲ型裂縫）。行車荷載下影響反射裂縫的主要模式為張開模式和剪切模式[14]。

4.1.1 Ⅰ型裂縫

由 West-ergaard 應力函數法得出裂縫尖端區域應力場的解析解

4.1.2 Ⅱ型裂縫

剪切型（Ⅱ型）裂縫尖端區域的應力場的解析解

4.1.3 應力強度因子

4.2 Ⅰ型裂縫應力強度因子有限元數值模擬

4.2.1 數值模擬模型建立

結合本文得出的開裂點位置，采用有限元數值模擬計算含有裂縫的半剛性基層道路結構面層、基層、底基層等層位的應力強度因子 KⅠ。運用 ANSYS 有限元軟件，路面實體模型和單元網格劃分，見圖 7。

4.2.2 基本參數

參照現行《公路瀝青路面設計規范》中半剛性基層瀝青路面的結構參數：上、中、下面層、基層、底基層的模量、泊松比、厚度分別為1 400MPa，0.25，4 cm；1 200MPa，0.25，5 cm；1 000MPa，0.25，6 cm；1 450 MPa，0.30，30 cm；1 200 MPa，0.30，20 cm。模型在 x 軸長度為 7 m，y 軸長度為7 m，土基厚度為 6 m，模量是 60 MPa。荷載為標準軸載 BZZ-100，接觸面壓強為 0.7 MPa。從 4 種情況進行分析：模式 a，底基層產生原始開裂；模式 b，裂縫擴展至基層底部；模式 c，裂縫擴展至下面層底部；模式 d，裂縫擴展至中面層底部。模擬計算四種模式下應力強度因子，見圖 8。

4.3 裂縫擴展判定

4.3.1 斷裂韌度 KⅠC 測試

根據 Griffith 結構斷裂判據，當外荷載產生的應力強度因子 KⅠ超出材料的斷裂韌度 KⅠC 時，裂縫將會進一步擴張。材料的斷裂韌度 KⅠC 可通過3 000 kN 數顯壓力試驗機對梁式試件進行三點彎曲試驗測得，其荷載感應器的量測范圍為 0～30 kN。制作大小為 100 mm×100 mm×515 mm 的試件，并預制疲勞裂縫。將試件加載到對應于剛超出豎向極限荷載（Fvmax）時的位移值，之后使荷載恢復至零，同時記錄試件的載荷-位移曲線。待試件失穩斷裂后測定預制裂縫的長度，并采用百分表電測法測量試件跨中撓度。求解材料的斷裂韌度 KⅠC，其計算式為

AC-16 瀝青混合料中面層、AC-20 瀝青混合料下面層、水泥穩定碎石基層、石灰粉煤灰穩定碎石底基層 4 種道路材料在 20 ℃、縫高比 a/h=0.2 條件下的斷裂韌度 KⅠC 測試結果，見表 3。

4.3.2 應力強度因子 KⅠ與斷裂韌度 KⅠC 比較

a，b，c，d 四種模式下層位應力強度因子與材料斷裂韌度（縫高比 a/h=0.2）比較，見圖 9。根據應力強度因子 KⅠ與斷裂韌度 KⅠC 的大小關系判定裂縫擴展情況。

4.4 反射裂縫擴展、貫通機理分析

由圖 9 可知：在車輛荷載作用下，各層位產生的應力強度因子均明顯高于材料的斷裂韌度，原始裂縫將會由于外荷載的作用而持續擴張，直至形成貫通裂縫。半剛性基層道路結構原始開裂點在基層和底基層兩個層位發生，開裂點較多，根據斷裂力學的分析結果，這些原始的開裂點最終都將擴展成為貫通裂縫。

5 結語

（1）半剛性基層瀝青路面的上面層及中面層在荷載正下方全部處于受壓狀態，應力水平為負值。荷載側向位置處有較小彎拉應變出現，當土基抗壓回彈模量較小時上面層及中面層應變水平小于 26 %，該類半剛性基層瀝青路面裂縫的起裂位置基本不會在上面層及中面層發生。

（2）下面層部分處于受壓狀態，部分處于受拉狀態。比較 3 種不同土基特性的路段可知：荷載正下方應變水平未超過 3 %，荷載側向位置應變水平未超過 6 %，在該種低應變水平下，材料的疲勞壽命大，不易開裂。

（3）基層承受的應變水平隨土基特性變化顯著。當土基模量較低時，荷載正下方基層材料的應變水平與荷載側向基層材料的應變水平超過 90 %，車輛荷載作用若干次后，基層材料將會出現原始的開裂點。當土基模量增加時，基層材料的應變水平減弱，基層材料具備較高的疲勞壽命，基層不會在短時間內開裂。

（4）當土基抗壓回彈模量較低時，底基層底部產生較大的應變，應變水平遠超過 100 %，原始開裂點在底基層出現。隨著土基抗壓回彈模量增大，車輛荷載在底基層產生的應變值與材料的極限彎拉應變值接近，此處極大概率出現原始開裂。因此，該道路結構原始開裂點易出現在基層及底基層兩個層位。

（5）根據 Griffith 結構斷裂判據，通過數顯壓力試驗機對梁式試件進行三點彎曲試驗測得四種結構層材料的斷裂韌度 KⅠC；對比分析可知荷載作用下，各層位產生的應力強度因子 KⅠ均明顯高于材料的斷裂韌度 KⅠC，原始裂縫將會由于外荷載作用而持續擴張，直至形成貫通裂縫。