溫度-荷載耦合場(chǎng)與瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響關(guān)系

徐奕菲

（南通市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南通 226001）

引言

瀝青路面是我國(guó)各等級(jí)公路中應(yīng)用最為廣泛的路面結(jié)構(gòu)。瀝青面層承受著汽車荷載、溫度荷載以及地基與自重的共同作用，其力學(xué)狀態(tài)是很復(fù)雜的。賈璐和孫立軍等[1-2]對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)模型進(jìn)行預(yù)估，分析了自然環(huán)境下瀝青路面溫度分布規(guī)律。岳福青和楊春風(fēng)[3]對(duì)瀝青路面裂縫開裂與溫度關(guān)系模型進(jìn)行了研究。王永勝和孔永健[4]從路面使用性能出發(fā)，分析瀝青路面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)瀝青使用性能的影響。以往的研究，大多將瀝青路面簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題來(lái)考慮，并未考慮瀝青路面在重力、溫度、地基等耦合作用下的力學(xué)狀態(tài)。

1 瀝青路面溫度場(chǎng)

瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度熱傳遞形式主要有熱輻射、對(duì)流傳熱、熱傳導(dǎo)三種[1,5-7]。瀝青路面受太陽(yáng)照射，一部分太陽(yáng)輻射直接被路面吸收，使得路面溫度上升。這部分不依賴于任何介質(zhì)直接被路面吸收的太陽(yáng)能，即熱輻射。由于熱輻射的存在，導(dǎo)致路面與路面上層空氣產(chǎn)生溫度差。溫度差使得路面與周圍空氣出現(xiàn)對(duì)流傳熱現(xiàn)象。而路面上層和下層存在溫度差，導(dǎo)致路面熱量向下層傳遞，即熱傳導(dǎo)。

瀝青路面層內(nèi)部之間的熱量傳遞符合Fourier定律[7]：

式中：q—熱流密度，W/m2；k—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

瀝青混和料作為一種溫度敏感材料，其熱工參數(shù)與路面內(nèi)溫度有關(guān)。路面熱平衡方程：

式中：T—路面溫度，℃；ε—輻射率；h—對(duì)流交換系數(shù)。

由式（2）可知，瀝青路面溫度場(chǎng)問(wèn)題是高度非線性的。對(duì)于瀝青路面溫度場(chǎng)的分析，通常為了降低計(jì)算成本，將其簡(jiǎn)化為一維或二維問(wèn)題來(lái)考慮。為滿足溫度與荷載的耦合，進(jìn)一步研究瀝青路面溫度場(chǎng)問(wèn)題，考慮通過(guò)三維仿真對(duì)瀝青路面溫度-荷載耦合問(wèn)題進(jìn)行分析。

2 有限元模型

2.1 有限元模型

瀝青路面溫度主要沿厚度方向存在差異，各層橫向與縱向溫度差別不大。建立2 m×2 m瀝青路面有限元模型，土基厚度為2 m，各結(jié)構(gòu)層參數(shù)[8-9]見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

每日最高溫度主要在11∶00—16∶00，假定這段時(shí)間內(nèi)瀝青路面表面溫度恒定為45 ℃，各層初始溫度為10 ℃。對(duì)瀝青路面在這段時(shí)間內(nèi)的溫度分布進(jìn)行模擬，并考慮自重、基礎(chǔ)對(duì)瀝青路面的作用。瀝青路面有限元模型見圖1。

圖1 瀝青路面有限元模型

為提高計(jì)算效率，減小計(jì)算成本，并在不改變所研究問(wèn)題本質(zhì)特征的前提下，對(duì)瀝青路面模型做相應(yīng)假設(shè)[10-11]：（1）瀝青路面各結(jié)構(gòu)層為均勻、各項(xiàng)同性，且滿足小變形條件。（2）瀝青路面各結(jié)構(gòu)層間溫度連續(xù)。（3）瀝青路面縱向與橫向尺寸遠(yuǎn)大于其厚度，故可以認(rèn)為在瀝青路面同一層，各點(diǎn)應(yīng)力相同。

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為說(shuō)明有限元方法的可靠性，對(duì)文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖2。顯示仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明所采用的方法是可靠的。

圖2 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)

3.2.1 溫度場(chǎng)變化

不同時(shí)刻瀝青路面各結(jié)構(gòu)層頂部溫度，見圖3。可知，路面溫度從上到下依次遞減。隨著時(shí)間推移，各層溫度逐漸增大，增加的幅度逐漸減緩。土基溫度變化較小，穩(wěn)定在10～11 ℃左右，說(shuō)明深度到達(dá)土基時(shí)，溫度基本不變。

圖3 路面各結(jié)構(gòu)層溫度變化

3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)變化

路面各結(jié)構(gòu)層頂應(yīng)力隨時(shí)間變化，見圖4?？芍?，隨著溫度升高，各層應(yīng)力出現(xiàn)減小的現(xiàn)象?？赡芤?yàn)槌跏紩r(shí)刻熱量大部分集中在上面層，導(dǎo)致各層變形差較大。由于層與層之間存在抑制作用，故變形差越大，應(yīng)力也越大。隨著溫度上升，各層溫度差逐漸減小，變形趨于統(tǒng)一，故應(yīng)力也出現(xiàn)降低。

圖4 路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力

3.3 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響

為進(jìn)一步了解瀝青路面各結(jié)構(gòu)層對(duì)路面溫度場(chǎng)分布的影響，建立表2所示的不同結(jié)構(gòu)層厚度瀝青路面，對(duì)比相同工況下，瀝青路面的溫度分布與結(jié)構(gòu)層厚度的關(guān)系。

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度/cm

3.3.1 下面層厚度不變

下層面厚度不變時(shí)，瀝青路面溫度分布情況，見圖5?？芍?，下面層厚度不變，上面層、中面層厚度變化時(shí)，上面層越薄，則中面層頂?shù)臏囟仍礁?；?duì)應(yīng)下面層頂、基層頂?shù)臏囟炔顒e不大。三種路面類型土基頂溫度變化不大，基本穩(wěn)定在初始溫度。

3.3.2 中面層厚度不變

當(dāng)中面層厚度相同時(shí)，路面溫度分布規(guī)律見圖6?？芍厦鎸雍穸仍叫?，則對(duì)應(yīng)中面層頂溫度越高；下面層厚度越小，對(duì)應(yīng)基層頂?shù)臏囟纫苍礁摺?/p>

圖5 瀝青路面溫度分布（下面層厚度不變）

3.3.3 上面層厚度不變

上面層厚度一定，各層溫度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律，見圖7。可知，上面層厚度相同時(shí)，其它層頂溫度差別并不大，說(shuō)明面層溫度分布主要與上面層厚度有關(guān)。

3.3.4 基層厚度變化

對(duì)比類型1、10、11可知，見圖8。當(dāng)上面層結(jié)構(gòu)相同時(shí)，基層厚度變化對(duì)于瀝青路面的溫度分布影響并不明顯，說(shuō)明瀝青路面溫度分布主要受面層參數(shù)的影響。

圖6 瀝青路面溫度分布（中面層厚度不變）

圖7 瀝青路面溫度分布（上面層厚度不變）

圖8 瀝青路面溫度分布（面層厚度不變）

分析可知：（1）瀝青路面溫度在面層、基層、土基的分布有很大區(qū)別。大部分熱量被面層吸收，且上面層的厚度對(duì)面層整體溫度分布有很大影響。上面層厚度較小時(shí)，路表熱量能快速傳遞至整個(gè)面層，使面層升溫較快。（2）沿路面厚度方向熱量傳遞逐漸減弱，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后，熱量基本不再傳遞，故沿路面厚度方向，越往下對(duì)瀝青路面溫度分布影響越小；瀝青為溫度敏感材料，其導(dǎo)熱系數(shù)要高于基層，因此熱量在面層間傳遞比在面層和基層間傳遞地更快。（3）基層溫度分布除了受上面層厚度影響，主要還受下面層厚度影響。下面層厚度越大，則能傳遞到基層的熱量越少。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立多種結(jié)構(gòu)類型瀝青路面實(shí)體模型，比較分析各瀝青路面在相同溫度-荷載耦合場(chǎng)作用下的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明：（1）瀝青路面升溫過(guò)程中，初始狀態(tài)時(shí)，面層變形差較大，溫度應(yīng)力較高。隨著面層整體溫度升高，變形差減小，溫度應(yīng)力降低。（2）上面層厚度對(duì)面層溫度分布影響較大。（3）土基厚度對(duì)瀝青路面溫度分布無(wú)明顯影響。瀝青結(jié)構(gòu)路面溫度主要在面層與基層間產(chǎn)生變化，土基溫度基本不變。