基于彈塑性分析的瀝青面層破壞機(jī)理探究

周振華

(珠海九洲旅游集團(tuán)有限公司,廣東 珠海 519015)

0 引 言

1 力學(xué)模型與研究方法

瀝青混合料作為一種建筑材料已被廣泛用于公路、市政道路等道路面層結(jié)構(gòu)中,但是隨著高等級(jí)道路的飛速發(fā)展,瀝青路面的毀損狀況也越來(lái)越引人關(guān)注。盡管路損原因錯(cuò)綜復(fù)雜,既有自然環(huán)境因素,又有人為施工質(zhì)量因素,但從道路本身及其使用功能來(lái)看,路面材料及道路所受的汽車荷載因素是兩個(gè)比較直接的因素。根據(jù)以往的研究得知瀝青混合料是一種粘—彈—塑性體。本文主要基于瀝青混合料的彈塑性特征,針對(duì)以上兩個(gè)比較直接的因素,對(duì)半剛性基層瀝青路面在車輪載荷作用下瀝青面層破壞機(jī)理進(jìn)行一些初步的探究。

1.1 力學(xué)模型

力學(xué)圖示如圖1所示,路面結(jié)構(gòu)中面層為瀝青面層,基層、底基層為半剛性基層,路基為土基,對(duì)于路面結(jié)構(gòu)采用雙輪載荷作用來(lái)進(jìn)行分析,p=0.7 MPa,δ=10.65 cm。由于半剛性基層擴(kuò)散應(yīng)力的能力很大,在一般車輛荷載作用下傳到路基土的應(yīng)力已很小,其應(yīng)力狀態(tài)變化不大,故在本文中的研究把半剛性基層及路基土考慮成線彈性,著重研究瀝青面層的彈塑性特征對(duì)面層自身結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀況的影響。

圖1 雙輪載力學(xué)圖示

1.2 研究方法

本文采用的是數(shù)值仿真技術(shù),利用美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)的大型數(shù)值模擬有限元軟件MSC-NASTRAN,對(duì)上述力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值分析。

2 面層結(jié)構(gòu)內(nèi)塑性區(qū)域的擴(kuò)展?fàn)顩r

根據(jù)數(shù)值模擬所產(chǎn)生的云紋圖 (圖2～圖6,圖中位置參見(jiàn)圖7)及最大塑性應(yīng)變與荷載關(guān)系圖(見(jiàn)圖8),不難發(fā)現(xiàn)面層結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性變化狀況。

從圖2～圖6可見(jiàn),塑性區(qū)域隨著荷載級(jí)增大逐漸擴(kuò)展,發(fā)生塑性應(yīng)變并非從面層表面開(kāi)始,而是在單輪下邊的面層中部,然后逐漸向四周擴(kuò)展。由圖可見(jiàn),塑性區(qū)域的中心,即最大塑性應(yīng)變的位置也隨著荷載級(jí)增大發(fā)生變化,剛開(kāi)始塑性區(qū)中心靠單輪外側(cè)面層中部,而后隨著荷載級(jí)增大,塑性區(qū)域中心逐漸向單輪中心面層中部靠近,最后穩(wěn)定在此位置。塑性區(qū)域的擴(kuò)展剛開(kāi)始僅局限于輪下,隨著荷載級(jí)的增大逐漸蔓延到輪隙處,對(duì)于輪隙處則并非先發(fā)生在面層中部,而是先發(fā)生在面層頂部。另外,塑性區(qū)域的形狀也隨著荷載級(jí)的增大而變化,剛開(kāi)始近似呈圓形區(qū)域,隨后隨著荷載增加,該圓形區(qū)域逐漸膨脹、扭曲,而呈下凹狀。值得注意的是在荷載達(dá)到100%時(shí),單輪中心處的塑性應(yīng)變始終不明顯,這也說(shuō)明路表塑性變形的累積并非來(lái)自面層上部。再由圖8可見(jiàn),一旦發(fā)生塑性應(yīng)變,則塑性應(yīng)變隨荷載增加而急速增加。

由以上分析可知,路表塑性變形的累積主要是面層中部發(fā)生了較大的塑性應(yīng)變,最終發(fā)生塑性破壞可能主要先是由單輪中心下面層中部位置處引發(fā),而后向面層表面擴(kuò)展。從圖中可見(jiàn),發(fā)生塑性破壞較明顯的位置可能在單輪兩側(cè)及輪隙中心處,但是由于路面所受的是隨機(jī)的、反復(fù)的車輪荷載,再加上疲勞破壞、環(huán)境和材料自身性質(zhì)等因素,很難說(shuō)路面的哪個(gè)位置較早發(fā)生破壞,但起碼可以引發(fā)對(duì)道路路面破壞的一些較全方面的思考。

圖2 60%荷載時(shí)的塑性應(yīng)變情況

圖3 70%荷載時(shí)的塑性應(yīng)變情況

圖4 80%荷載時(shí)的塑性應(yīng)變情況

圖5 90%荷載時(shí)的塑性應(yīng)變情況

圖6 100%荷載時(shí)的塑性應(yīng)變情況

圖7 瀝青路面半結(jié)構(gòu)圖

圖8 塑性應(yīng)變與荷載級(jí)關(guān)系

3 瀝青面層破壞機(jī)理探究

彈塑性問(wèn)題是與加載歷史有關(guān)的,而受車輪載荷作用的路面受的加載歷史可謂很復(fù)雜,載荷具有突變性、反復(fù)性、多樣性以及隨機(jī)性等特點(diǎn),因而這也加大了對(duì)路面塑性破壞過(guò)程研究的難度,實(shí)質(zhì)上這應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)彈塑性問(wèn)題。為進(jìn)一步探究塑性區(qū)域的擴(kuò)展規(guī)律,對(duì)路面塑性破壞有個(gè)較深刻的認(rèn)識(shí),下邊主要針對(duì)兩種加載情況下瀝青面層內(nèi)塑性區(qū)域的發(fā)展情況作進(jìn)一步地分析。

3.1 加載情況的設(shè)定

兩種加載情況都認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定加載,加載情況Ⅰ是先施加荷載P/2,再卸載P/2,然后加載P,最后卸載P,即0→P/2→0→P→0,而加載情況Ⅱ是0→P→0→P/2→0的一個(gè)過(guò)程。見(jiàn)圖9和圖10。對(duì)于加載情況Ⅰ和Ⅱ主要考察各自在特征點(diǎn)1、2、3、4處的塑性應(yīng)變情況,然后分析其異同。為了尋找塑性區(qū)域發(fā)展規(guī)律的方便,在此P值取為正常情況下輪胎接觸壓力的兩倍,即1.4 MPa。

3.2 塑性區(qū)的變化情況

主要觀察輪載路面下的塑性變形區(qū),對(duì)于加載情況Ⅰ,輪載下的塑性區(qū)域如圖11～圖14所示;對(duì)于加載情況Ⅱ,輪載的塑性區(qū)域如圖15～圖18所示,圖中位置參見(jiàn)圖7。

圖9 加載情況Ⅰ

圖10 加載情況Ⅱ

圖11 加載情況Ⅰ1點(diǎn)處

圖12 加載情況Ⅰ2點(diǎn)處

圖13 加載情況Ⅰ3點(diǎn)處

圖14 加載情況Ⅰ4點(diǎn)處

圖15 加載情況Ⅱ1點(diǎn)處

圖16 加載情況Ⅱ1點(diǎn)處

圖17 加載情況Ⅱ3點(diǎn)處

圖18 加載情況Ⅱ4點(diǎn)處

從圖11～圖14可以看出,在加載情況Ⅰ時(shí),從1點(diǎn)至2點(diǎn),塑性應(yīng)變情況并未發(fā)生任何改變,即從塑性狀態(tài)到彈性狀態(tài)的過(guò)程中并未產(chǎn)生新的塑性變形,符合卸載過(guò)程特性。而從2點(diǎn)到3點(diǎn)的加載過(guò)程,可以看出塑性應(yīng)變發(fā)生迅猛變化,最大塑性應(yīng)變劇烈增加,塑性核 (塑性區(qū)中心區(qū)域)收縮變形扭曲,塑性區(qū)域迅速擴(kuò)大,向輪側(cè)外和輪隙中心發(fā)展,塑性區(qū)底口呈擴(kuò)張趨勢(shì),并且從這半結(jié)構(gòu)圖可以看出,對(duì)于雙輪載荷下的兩側(cè)塑性區(qū)域有貫穿輪隙中心連通的趨勢(shì)。從3點(diǎn)到4點(diǎn),仍舊符合卸載特性,沒(méi)有發(fā)生新的塑性變形,塑性應(yīng)變區(qū)并沒(méi)發(fā)生擴(kuò)展或收縮,顯然塑性變形被殘留下來(lái)了,并且比2點(diǎn)時(shí)的要大得多,見(jiàn)表1。

從圖15～圖18可以看出,對(duì)于加載情況Ⅱ塑性應(yīng)變情況自始至終都沒(méi)發(fā)生變化,從1點(diǎn)到2點(diǎn)及3點(diǎn)到4點(diǎn)屬于卸載過(guò)程,從塑性狀態(tài)到彈性狀態(tài),并沒(méi)發(fā)生新的塑性變形,見(jiàn)表2。而在2點(diǎn)到3點(diǎn)的加載過(guò)程中也并沒(méi)發(fā)生新的塑性應(yīng)變,顯然在此期間發(fā)生的也只是彈性變形的變化,可由表2知。

表1 加載情況Ⅰ下各歷史點(diǎn)位處的變形情況(單位:mm)

表2 加載情況Ⅱ下各歷史點(diǎn)位處的變形情況(單位:mm)

通過(guò)以上對(duì)塑性區(qū)的描述分析,我們可以知道,對(duì)于加載情況Ⅰ下,當(dāng)?shù)诙渭虞d超過(guò)第一次加載時(shí),塑性區(qū)將發(fā)生迅猛擴(kuò)張,塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速,這就使我們值得重視諸如超載等情況還有由于路面參數(shù)的變化而使得正常荷載相對(duì)增大而導(dǎo)致塑性區(qū)的擴(kuò)張,塑性應(yīng)變超過(guò)容許值,路表變形過(guò)大,而可能會(huì)在一次載荷作用下就導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)塑性破壞。

對(duì)于加載情況Ⅱ告訴我們,對(duì)于第二次加載小于第一次加載的情形下,第二次加載不會(huì)增加面層的塑性應(yīng)變,不會(huì)增加塑性變形,改變的只是彈性變形或者說(shuō)是面層的強(qiáng)度相對(duì)提高了,當(dāng)然前提是第一次荷載并沒(méi)造成路面結(jié)構(gòu)破壞的情況下,這對(duì)路面結(jié)構(gòu)是有利的。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)塑性區(qū)域的產(chǎn)生最先并非在面層表面,而是在單輪中心下面層中部,并隨荷載級(jí)的增大逐漸擴(kuò)展,最后蔓延到輪隙中心。

(2)塑性變形區(qū)域的擴(kuò)展變化與加載順序有關(guān),本文將路面所受荷載歸結(jié)為加載情況Ⅰ和Ⅱ類型的組合。

(3)路面所受環(huán)境 (如溫度)、施工等因素影響復(fù)雜,從而導(dǎo)致瀝青面層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等參數(shù)的不斷變化,路面結(jié)構(gòu)反復(fù)受的是諸如加載情況Ⅰ和Ⅱ類型的組合,最終導(dǎo)致路面車轍和裂縫等病害。

[1]鄧學(xué)鈞,黃曉明.路面設(shè)計(jì)原理與方法[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]張起森.道路工程有限元分析法[M].北京:人民交通出版社,1983.

[3]姚祖康.道路路基和路面工程[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[4]凌天清.柔性路面結(jié)構(gòu)非線性分析研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1995.

[5]周振華,鄭傳超.路基土非線性性質(zhì)對(duì)半剛性基層模量反算的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,23(6):15-18.