瀝青路面基層與面層局部粘結(jié)失效的受力分析

魏 姍，楊慶國，谷建義

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074))

瀝青路面基層與面層局部粘結(jié)失效的受力分析

魏 姍，楊慶國，谷建義

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074))

采用ANSYS通用計(jì)算軟件，考慮不同的粘結(jié)狀態(tài)，對(duì)瀝青路面基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化時(shí)，各層底面的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的變化情況進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明:當(dāng)車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域時(shí)，上面層和下面層底面的最大主拉應(yīng)力隨粘結(jié)的失效顯著增加，中面層底面的最大主拉應(yīng)力和各層底面的最大剪應(yīng)力受粘結(jié)狀態(tài)變化的影響較小;當(dāng)車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域邊緣時(shí)，各面層底面將產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，但最大剪應(yīng)力受粘結(jié)狀態(tài)變化的影響較小。

瀝青路面;面層;基層;局部;粘結(jié)狀態(tài);拉應(yīng)力;剪應(yīng)力

瀝青路面具有良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能，建設(shè)速度快，維修方便［1］。因此，我國新建的大部分公路和城市道路都采用瀝青路面。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用的理論模型為彈性層狀連續(xù)體系理論模型［2-3］。彈性層狀連續(xù)體系模型的層間狀態(tài)的核心是“連續(xù)”，即各材料層之間的邊界條件被視為連續(xù)的，即瀝青路面各面層之間、面層與基層之間、基層與底基層之間都是完好粘結(jié)在一起的整體。因此，做好基層和面層間處治工作對(duì)保證路面結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期內(nèi)優(yōu)良的使用質(zhì)量是非常關(guān)鍵的［4］。

JTJ 014—97《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，為保證面層與基層之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在瀝青面層與半剛性基層或粒料基層之間應(yīng)設(shè)置透層瀝青。然而，現(xiàn)場取芯的結(jié)果表明:這種措施不能充分保證兩層材料的完全粘結(jié);另一方面，由于半剛性材料和瀝青混合料的材料性質(zhì)明顯不同，在后期荷載和環(huán)境的作用下，面層與基層間的層間粘結(jié)狀態(tài)也將發(fā)生變化?？梢姙r青路面的實(shí)際層間狀態(tài)是偏離設(shè)計(jì)中的層間連續(xù)狀態(tài)的。

近年來，層間粘結(jié)狀態(tài)的變化對(duì)瀝青路面各層應(yīng)力的影響已經(jīng)引起學(xué)者們的關(guān)注［1，5-7］。目前研究的重點(diǎn)是層間粘結(jié)狀態(tài)整體變化的情況，即假設(shè)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)中層間粘結(jié)狀態(tài)完全一樣。其中對(duì)半剛性基層瀝青路面層間處于完全連續(xù)，完全滑動(dòng)狀態(tài)條件下路面各層的受力分析較多;由于層間處于完全連續(xù)和完全滑動(dòng)只是2種理想的狀態(tài)，有必要關(guān)注層間處于半連續(xù)半滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)的受力響應(yīng)。

在實(shí)際路面中很少存在整個(gè)路面的層間粘結(jié)狀態(tài)同時(shí)發(fā)生變化的情況。從瀝青路面的應(yīng)用和其所受作用的角度來看，瀝青路面層間粘結(jié)狀態(tài)的變化是一個(gè)衰變的過程。層間粘結(jié)效果是從一個(gè)小范圍內(nèi)開始逐漸變化的，隨著損傷的積累，層間粘結(jié)效果越來越差，層間粘結(jié)狀態(tài)變化的區(qū)域也越來越大，并逐步演變成路面的早期病害。因此，進(jìn)一步研究瀝青路面局部粘結(jié)狀態(tài)變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力影響顯得更有意義。

筆者采用通用有限元軟件ANSYS建立不同工況下的有限元模型，分析瀝青路面下面層和基層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化對(duì)路面各層底面的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的影響，重點(diǎn)對(duì)下面層底面的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力進(jìn)行分析。

1 瀝青路面基層和面層局部粘結(jié)狀態(tài)變化的力學(xué)模型建立

1.1 路面結(jié)構(gòu)模型設(shè)定

采用ANSYS有限元軟件對(duì)瀝青路面進(jìn)行三維仿真，計(jì)算分析瀝青路面基層與面層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化對(duì)路面各層受力的影響。計(jì)算采用典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式［8］，研究對(duì)象由中粒式瀝青混凝土上面層、粗粒式瀝青混凝土中面層、瀝青碎石下面層、水泥穩(wěn)定碎石上基層、二灰土下基層、土基組成，其中各層的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Material parameters of road structure

1.2 模型尺寸的選擇和計(jì)算假定

筆者著重分析在車輪荷載作用下，瀝青路面基層與面層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化對(duì)路面各層受力的影響。由于在車輪荷載作用下，路面各層的拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在荷載接觸面附近一定范圍內(nèi)，剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在荷載接觸面范圍內(nèi)［1］，因此在充分考慮車輪接地尺寸和垂直應(yīng)力等特征后，確定計(jì)算模型的平面尺寸為3 m×3 m。

為了分析基層和面層間粘結(jié)狀態(tài)變化對(duì)路面各層的受力影響，粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)的尺寸要大于車輪接地尺寸一定范圍;為了區(qū)分基層與面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化與整體粘結(jié)狀態(tài)變化對(duì)路面各層受力影響的不同，粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的尺寸不宜超出車輪接地尺寸太多。綜合分析后，確定模型的中部粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的平面尺寸為0.6 m×0.6 m。

計(jì)算采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行，對(duì)材料性質(zhì)及各層邊界條件做如下假設(shè):

1)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性體［5］;

2)地基底面各項(xiàng)位移和轉(zhuǎn)角為0，基層及面層側(cè)向約束法線的水平位移［1］;

3)考慮層間部分結(jié)合狀態(tài)為完全連續(xù)或完全光滑，以及半連續(xù)半光滑的情況(考慮摩擦系數(shù)為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1)，其它區(qū)域粘結(jié)完好。

1.3 荷載參數(shù)選取和工況設(shè)定

由于模型的對(duì)稱性，計(jì)算中采用1/2模型進(jìn)行分析，車輪荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸BZZ-100，軸重100 kN，輪壓0.7 MPa，考慮車輛車輪制動(dòng)時(shí)對(duì)路面產(chǎn)生的水平荷載，水平荷載取0.5P(P為垂直荷載)。

為便于有限元分析，輪壓作用范圍設(shè)定為16 cm×20 cm的矩形，雙輪中心距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為180 cm。

由于層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的存在，當(dāng)車輪荷載作用在不同位置時(shí)，路面各層將產(chǎn)生不同的力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)計(jì)算分析知，當(dāng)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時(shí)，各面層底面將產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力;當(dāng)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域邊緣時(shí)，各面層底面將產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。因此，分析中考慮2種荷載工況:

1)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)，荷載作用位置如圖1;

2)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域的邊緣，荷載作用位置如圖2。

1.4 網(wǎng)絡(luò)劃分與單元選取

計(jì)算中主要分析各面層受局部粘結(jié)狀態(tài)變化的影響，因此為了保證計(jì)算精度，采用精度較高的六面體單元solid 65來模擬瀝青路面的上面層、中面層、下面層和上基層;采用四面體單元solid 92來模擬下基層和土基。綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算精確度，六面體單元solid 65采用精度較高的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，四面體單元solid 92采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2 荷載作用在層間粘結(jié)態(tài)變化區(qū)時(shí)的受力分析

2.1 基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化對(duì)各面層底面最大主應(yīng)力的影響

當(dāng)車輪作用在層間粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域上部時(shí)，瀝青路面各層底面將產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在車輪邊緣的下方。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化時(shí)路面各層底面的主拉應(yīng)力S1計(jì)算Tab.2 The maximal tensile stress S1calculation table of each layer’s bottom /MPa

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)車輪荷載作用在層間粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域上部時(shí)，瀝青路面下面層底面的主拉應(yīng)力較大，并且隨著層間摩擦系數(shù)的減小，最大主拉應(yīng)力會(huì)隨之增加，當(dāng)粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域處于光滑接觸狀態(tài)時(shí)，下面層底面的最大主拉應(yīng)力達(dá)到完全連續(xù)狀態(tài)的2倍以上，結(jié)果分析見圖3。當(dāng)瀝青路面面層與基層處于完全連續(xù)狀態(tài)時(shí)，路面中面層底面的最大主拉應(yīng)力為0.248 MPa，當(dāng)基層和下面層出現(xiàn)局部粘結(jié)變化時(shí)，隨著粘結(jié)性能的失效，最大主拉應(yīng)力會(huì)有所減小，但減小幅度不大，因此對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響也不大，其分析結(jié)果見圖4。

瀝青路面下面層與基層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化，會(huì)導(dǎo)致上面層底面最大主拉應(yīng)力的增加，當(dāng)粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域由完全連續(xù)狀態(tài)變?yōu)橥耆瑒?dòng)狀態(tài)時(shí)，上面層底面的最大主拉應(yīng)力增加大概40%左右，其分析結(jié)果見圖5。

2.2 基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化對(duì)各面層底面最大剪應(yīng)力的影響

當(dāng)車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的上部時(shí)，各面層底面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果見表3。

Tab.3 The maximal shear stress Syzon each layer’s bottom with the change of bonding condition /MPa

由表3的數(shù)據(jù)可知，在車輪荷載的作用下，瀝青路面上面層和中面層底面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，但剪應(yīng)力受粘結(jié)狀態(tài)的影響很小;瀝青路面下面層底面的剪應(yīng)力較小，但受層間粘結(jié)狀態(tài)的影響較大，層間粘結(jié)狀態(tài)由完全連續(xù)狀態(tài)變?yōu)橥耆瑒?dòng)時(shí)，下面層底面的最大剪應(yīng)力減小大概一半，其分析結(jié)果見圖6。

圖6 層間粘結(jié)與下面層底面最大剪應(yīng)力Syz關(guān)系Fig.6 The maximal shear stress Syzof the bottom layer’s bottom with the change of bonding condition

由于當(dāng)車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時(shí)，下面層底面的剪應(yīng)力很小，因此在這種荷載工況下局部粘結(jié)變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響很小。

由此可見，局部層間粘結(jié)狀態(tài)的變化對(duì)各面層底面的主拉應(yīng)力有很大的影響，特別是對(duì)下面層底面的主拉應(yīng)力有很大的影響。下面層和基層之間部分粘結(jié)的失效，會(huì)使下面層底面主拉應(yīng)力大幅度增加，從而導(dǎo)致層間粘結(jié)的進(jìn)一步破壞。

3 荷載作用在層間粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)邊緣時(shí)的受力分析

當(dāng)車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域的邊緣時(shí)，路面各層底面將產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在車輪正下方。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化時(shí)路面各層底面最大剪應(yīng)力Syz計(jì)算Tab.4 The maximal shear stress Syzon each layer’s bottom with the change of bonding condition /MPa

由表4的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)車輪荷載作用在結(jié)合狀態(tài)完好區(qū)域的邊緣時(shí)，路面各層底面的剪應(yīng)力很大，由于荷載作用在下面層和基層粘結(jié)完好區(qū)域，因此受層間部分粘結(jié)狀態(tài)變化的影響很小。

4 結(jié)論

針對(duì)瀝青路面出現(xiàn)基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化的情況，通過有限元方法分析了在不同的荷載工況下，局部粘結(jié)狀態(tài)變化對(duì)路面各層底面最大主拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的影響，主要得到了以下幾點(diǎn):

1)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時(shí)，基層和面層間局部粘結(jié)的失效會(huì)使下面層和上面層底面的最大主拉應(yīng)力大幅度增加，特別是下面層底面的最大主拉應(yīng)力，增大幅度達(dá)2倍以上。

2)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時(shí)，各面層底面的剪應(yīng)力很小，且中面層底面的最大主拉應(yīng)力和各面層底面的最大剪應(yīng)力受粘結(jié)狀態(tài)變化的影響較小。

3)荷載作用在結(jié)合狀態(tài)完好區(qū)邊緣時(shí)，各面層底面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，但受層間粘結(jié)狀態(tài)的影響很小。

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Stress Analysis on Different Partial Bonding Condition between Base Course and Surface Course of Asphalt Pavement

WEI Shan，YANG Qing-guo，GU Jian-yi
(School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Maximum principal tensile stress and maximum shear stress on each layer’s bottom caused by the changes of the partial bonding condition between the base course and the surface courses of asphalt pavement are be calculated by ANSYS.The results show that when the wheel loads act on bonding failure area，the maximum principal tensile stress will have a significant increase in the top surface layer’s bottom and the bottom layer’s bottom;the maximum principal tensile stress has little influence on the middle surface layer’s bottom;and maximum shear stress has little influence on the bottom of each layer.When the wheel loads act on intact area，shear stress has little influence by the bonding condition near the bonding failure area.

asphalt pavement;surface course;base course;bonding condition;tensile stress;shear stress

U416.217

A

1674-0696(2011)03-0403-04

2011-03-10;

2011-04-08

魏 姍(1987-)，女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事橋梁、道路及力學(xué)方面的研究。E-mail:530774684@qq.com。