基于内聚力模型的水稳填充大...径碎石基层材料抗裂机理分析_陈光.pdf

公路 年月第期 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：基于内聚力模型的水稳填充大粒径碎石基层材料抗裂机理分析陈光，刘翠，于仲慧（中电建冀交高速公路投资发展有限公司石家庄市 ）摘要：为了对水稳填充大粒径碎石基层材料进行更加深入的研究，了解其抗裂机理，从细观角度上解释水稳填充大粒径碎石材料能够有效减小基层收缩应力，利用 有限元模拟软件，构建了水稳填充大粒径碎石材料模拟试件，嵌入内聚力模型，进行干燥收缩模拟试验与抗压模拟试验，从系统总能量与材料破坏状态两个角度分析水稳填充大粒径碎石材料的抗裂机理，研究结果表明：水稳填充大粒径碎石材料在减少收缩开裂方面具有一定优势。模拟试验的结果为水稳填充大粒径碎石材料在实际工程中的施工应用提供理论依据，验证了水稳填充大粒径碎石材料能够有效减少材料的收缩开裂。关键词：道路工程；路面基层；水稳填充大粒径碎石材料；内聚力模型；抗裂性能水泥稳定碎石半刚性基层因其具有整体性好、刚度大、水稳定性及经济性良好等优点，而成为我国各等级公路使用最为广泛的基层类型，。然而，常规水泥稳定碎石基层在早期施工与养护期间往往会因为湿度与温度的变化产生收缩裂缝。水稳填充大粒径碎石基层材料是以大粒径碎石作为承重骨架，骨架空隙内填充水泥稳定碎石的基层材料，可克服传统半刚性基层的不足，延缓基层出现早期收缩裂缝。在境外，如德国、法国以及加拿大等地，为延缓路面裂缝的产生，道路基层采用天然的 的大颗粒碎石进行铺筑。为防治反射裂缝，一般情况下，将大粒径碎石铺筑在基层时，设计为间断级配。关笑楠通过对大粒径水泥稳定材料进行了各项试验研究，试验数据表明，当材料骨架间的嵌挤作用明显时，收缩系数较小，并且抗压强度较常规级配水泥稳定碎石有所提升，因此，具有一定的抗裂效果。李頔从多方面分析了大粒径水泥稳定碎石材料的抗裂机理，并分析了影响材料抗裂性能的主要因素，并总结了该材料的结构优越性。安徽省首次提出了水稳填充大粒径碎石基层，工程实践表明，该材料可减少路面出现的反射裂缝，表现出了良好的抗裂性能。有限元模型建立 内聚力模型内聚力模型（）是 世纪 年代末期由 与 两位研究学者提出的裂纹计算模型概念，他们认为有一个尺寸相对非常小的内聚力区域存在于任意材料的裂缝尖端，且内聚力区域存在的形式与形成裂缝的外力作用方式均没有关系。研究表明，内聚力裂缝上的应力、位移呈函数关系，且开裂过程中，产生新裂纹需要消耗一定量的断裂能，式（）与式（）为断裂能与应力、位移之间的关系。（）（）（）（）内聚力模型是一种唯象模型，模型的核心是内聚力与相对位移之间的非线性本构模型，用非线性本构模型描述材料，有限元软件中为了对计算过程进行简化，对（）曲线进行了近似量化处理，简化为双线性的内聚力模型，模型曲线 年第期陈光等：基于内聚力模型的水稳填充大粒径碎石基层材料抗裂机理分析图如图所示，图中在阶段，材料为线弹性变化阶段，在阶段，材料为线性软化阶段。图双线性 响应示意 水稳填充大粒径碎石材料有限元模型建立 模型几何尺寸本研究模拟采用二维数字模型并确定模型中的粗骨料的颗粒数，使用的大粒径碎石形状为棱角清晰可辨的立方体，其平面视图为随机的多边形。为接近实际情况，混合料配合比如表所示，对不同粒径范围的不规则的大粒径碎石平面示图面积简化，由当量圆面积代替，简化结果如表所示。表混合料配合比集料规格 各集料所占比例 表各粒径范围当量圆面积粒径范围当量圆面积范围平均值 为简化计算，将粗骨料面积占比简化为体积占比，即粗骨料面积占试件截面积的，式（）为试件截面面积表达式。（）式中：、为 与 的大粒径碎石颗粒数；为大粒径碎石的截面积占比；为试件截面积。利用 软件设计程序，将粗骨料投放至 的平面试件中，具体算法如图所示。根据算法生成 的正方形水稳填充大粒径碎石材料图形，并导入至 图大粒径碎石投放算法流程图示有限元模型中生成二维模拟试件，作为对照试验组，常规水泥稳定试件的骨料粒径设置为 ，其他生成过程与设置方法与水稳填充大粒径碎石材料试件相同。材料参数 有限元模拟软件中无法对造成干燥收缩的湿度进行控制，为模拟室内干缩实验，研究干燥收缩与温度收缩所引起的收缩量具有共同特点，在本研究对干缩试验模拟采用等式换算的方法对温度与湿度进行转化，用温度的变化表示湿度的变化，转化公式为 ，公式中表示试件体积（），表示变化的温度（），表示失水率（），表示温缩系数（），表示干缩系数（）。计算得出每失水 ，温度降低 。断裂参数主要有黏结强度与断裂能，水稳填充大粒径碎石材料大粒径碎石与填充水稳间黏结作用较小，因此，选用参数较小。模拟试验所需材料参数如表所示。水稳填充大粒径碎石材料与常规水泥稳定碎石材料二维模拟试件如图所示。网格划分水稳填充大粒径碎石材料的大粒径碎石与填充水稳间单元网格划分使用 法，划分为二维节点内聚力单元，表示方法为 ，大粒径碎石与填充水稳区域采用常规单元网格划分方法。常规水泥稳定碎石材料使用相同方法进行网格划分。干缩试验数值模拟为模拟实际干缩试验，温度设置为由 降低为，对应失水率为 ，降温时间设定为，载荷与约束情况如图所示。在温度荷载下表模型材料参数参数类型参数名称材料名称参数值力学参数弹性模量泊松比大粒径碎石 填充水稳 大粒径碎石 填充水稳 热学参数导热系数比热容大粒径碎石 （）填充水稳 （）大粒径碎石 （）填充水稳 （）变形参数线膨胀系数大粒径碎石 填充水稳 大粒径碎石与填充水稳间 填充水稳间 断裂参数黏结强度大粒径碎石与填充水稳间 断裂能大粒径碎石与填充水稳间 图二维模拟试件示意的干缩应力与应变云图如图与图所示。试件在降温过程中并未达到断裂强度，因此，没有出现宏观裂缝。图干缩试验模拟载荷与约束图水稳填充大粒径碎石材料干缩应力与位移云图通过 历程变量里提取模型的系统总能量，两种材料的系统能量随时间变化趋势曲线如图所示。公路 年第期 年第期陈光等：基于内聚力模型的水稳填充大粒径碎石基层材料抗裂机理分析图常规水泥稳定碎石材料干缩应力与位移云图图温度变化下系统能量变化曲线结合云图与系统能量时间关系曲线，总结出以下结论。（）由云图可以看出，在模拟干缩试验中，水稳填充大粒径碎石材料内部产生的应力与应变比常规水泥稳定碎石材料小。（）由关系曲线可知，水稳填充大粒径碎石材料与常规水泥稳定碎石材料的试件系统总能量均随着时间而增长。两类试件所积蓄的系统总能量为：水稳填充大粒径碎石材料 ，常规水泥稳定碎石材料 。因此，根据能量越小越稳定的理论，充分表明水稳填充大粒径碎石材料更加稳定，受外界条件影响较小。（）在模拟干燥收缩的过程中，由于荷载强度未达到断裂强度，因此，两类材料均未出现裂缝，但由云图与系统能量曲线均可看出，在条件相同的情况下，水稳填充大粒径碎石材料产生的应力与能量均小于常规水泥稳定碎石材料，体现出水稳填充大粒径碎石材料对于产生的应力具有良好的松弛效果，因此，水稳填充大粒径碎石材料具有更好的抗裂性能，有助于减缓早期收缩裂缝的产生。抗压试验数值模拟道路常规半刚性基层结构模量大于其他路面结构层，因此，在道路通车荷载的作用下，半刚性基层主要受到拉应力的作用，拉应力使得半刚性基层较易发生疲劳损害。水稳填充大粒径碎石材料基层刚度较小，基层受拉转变为受压状态，因此，本研究通过模拟考察材料抗压开裂状态，与室内试验进行对比，进一步分析水稳填充大粒径碎石材料的受压破坏模式。抗压试验模拟加载方式如图所示，试件尺寸为 ，大粒径碎石与填充水稳间嵌入内聚力模型，上下添加刚性压头与垫块，垫块下设置约束，压头与垫块可使得试件受力均匀，压头顶面施加位移荷载，加载速率为 ，进行受压试验，直至试件受压开裂，图为受压试验变形云图，图 为试件加载力反力与位移的关系曲线。图受压试验加载图描述了水稳填充大粒径碎石材料受压破坏的过程云图，图（）对应图 中荷载峰值点，内聚图受压模拟试验试件云图力单元所受压力单元内的黏结强度；图（）则表示荷载逐渐增大，试件内部内聚力损伤单元越来越多，试件内部出现裂缝；图（）则表示裂缝越来越多，形成更大的贯穿裂缝；图（）中试件已完全破坏，内聚力单元错位，荷载降至为。图 中的曲线分为个阶段：弹性变化阶段、应力破坏阶段与软化阶段，荷载峰值达到 ，因此，水稳填充大粒径碎石材料的抗压性能良好。公路 年第期 年第期陈光等：基于内聚力模型的水稳填充大粒径碎石基层材料抗裂机理分析图 试件加载点反力位移曲线由抗压模拟试验裂缝发展云图可以看出，水稳填充大粒径碎石材料的初始裂缝出现在填充水稳与大粒径碎石界面，由此可以看出大粒径碎石材料与填充水稳间黏结性较弱，开裂路径多样化，多样化的裂缝开裂路径可阻断材料出现较大的裂缝，常规的水泥稳定碎石材料黏结性较强，材料板体性较强，一旦出现裂缝则会扩大出现较宽裂缝，使得面层较易出现反射裂缝，水稳填充大粒径碎石材料特殊的开裂破坏机理可防止基层材料出现较为宽大的裂缝，因此，可延缓道路面层出现反射裂缝。结语（）本文将水稳填充大粒径碎石材料的大粒径碎石与填充水稳间嵌入 内聚力单元，运用 软件随机投放大粒径碎石颗粒，构建了二维细观数字模型。（）由于 中没有控制湿度的模块，通过干缩系数与温缩系数转化 ，通过温度变化控制，对试件进行干缩试验模拟。通过模拟干缩试验，试件并未出现较大的宏观裂缝，水稳填充大粒径碎石材料试件所积蓄的系统总能量低于常规水泥稳定碎石试件，由能量最小原理证明水稳填充大粒径碎石材料在抗裂性能方面的优势。并对水稳填充大粒径碎石材料进行了抗压试验模拟，分析其抗压开裂路径，开裂路径多样化使其裂缝不易扩展。（）分析了水稳填充大粒径碎石材料的抗裂机理，其抗裂性能来源于水稳填充大粒径碎石材料良好的应力松弛能力，填充水稳与大粒径碎石间的黏结性不强，使得材料间有许多微小裂缝，可吸收由于早期收缩产生的收缩应力。参考文献：沙爱民，胡力群半刚性基层材料的结构特征中国公路学报，（）：张海涛，梁爽，杨洪生，等 基于室内振动搅拌的水泥稳定碎石性能研究中国公路学报，（）：张栋梁，吴双全，梁鹏基于均匀性设计的水泥稳定碎石宏观性能及微观机理科学技术与工程，（）：彭波，李龙刚，尹光凯，等 低水泥剂量稳定碎石级配组成设计与性能研究公路，（）：关 笑 楠大粒径水泥稳定碎石抗裂性能试验 研 究浙江大学，李頔级配碎石材料力学特性和设计方法研究长安大学，敖芳，许荆卫，李洪震，等水稳填充大粒径碎石基层的技术原理与特点探讨建材技术与应用，（）：李娜，魏连雨，马士宾基于内聚力模型的水泥稳定碎石早期微裂干缩性能研究硅酸盐通报，（）：刘敬辉基于内聚力模型的预裂缝技术机理分析公路交通科技，（）：朱展水稳填充大粒径碎石基层材料应用研究东南大学，