倒裝結(jié)構(gòu)路面研究進(jìn)展★

裴　儀

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安　710064)

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·道路·鐵路·

倒裝結(jié)構(gòu)路面研究進(jìn)展★

裴儀

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安710064)

介紹了國(guó)內(nèi)外倒裝結(jié)構(gòu)路面的研究現(xiàn)狀，闡述了級(jí)配碎石基層的力學(xué)特性和測(cè)試方法，總結(jié)了用以描述級(jí)配碎石基層力學(xué)特性的本構(gòu)模型，探究了以有限元數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的倒裝結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)分析方法，最后對(duì)倒裝路面的進(jìn)一步研究進(jìn)行了展望。

倒裝結(jié)構(gòu)路面，級(jí)配碎石基層，本構(gòu)模型，數(shù)值模擬

0　引言

半剛性基層瀝青路面因具有較高的強(qiáng)度、剛度、承載能力、抗疲勞破壞能力以及荷載擴(kuò)散能力，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各級(jí)公路，尤其是高速公路瀝青路面建設(shè)中，其為減薄瀝青面層厚度、減小路表彎沉、降低工程造價(jià)等提供了良好條件。但隨著服役年限的增加，半剛性基層瀝青路面也暴露出嚴(yán)重早期病害問(wèn)題，主要包括路面反射裂縫，以及半剛性基層材料的強(qiáng)度、模量的疲勞衰減。

為減少半剛性基層瀝青路面的反射裂縫，當(dāng)前采取的措施主要包括增加瀝青面層的厚度，并進(jìn)行半剛性基層材料的合理組成設(shè)計(jì)。但這些方法均未能從根本上消除半剛性基層的開(kāi)裂。在瀝青混合料面層與半剛性基層之間鋪設(shè)級(jí)配碎石層，以此作為應(yīng)力消散層，可減輕半剛性基層路面的反射開(kāi)裂，這種路面結(jié)構(gòu)稱為倒裝結(jié)構(gòu)[1]。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)路面的研究，多側(cè)重于試驗(yàn)路的鋪筑與觀測(cè)，所采取的分析方法則基于現(xiàn)象學(xué)，而未深入到路面材料力學(xué)與道路結(jié)構(gòu)力學(xué)范疇。為此，本文從級(jí)配碎石材料力學(xué)性能與倒裝結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)分析兩個(gè)角度著手，深入綜述并分析已有的研究成果，以期為倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面研究奠定理論基礎(chǔ)，為豐富我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)形式提供理論指導(dǎo)。

1　級(jí)配碎石力學(xué)性能研究

1.1級(jí)配碎石回彈模量的測(cè)試方法

回彈模量是反映級(jí)配碎石力學(xué)性能的重要指標(biāo)，也是進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算與路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的基本材料輸入?yún)?shù)。級(jí)配碎石屬于粒狀材料，其在交通荷載的作用下表現(xiàn)出明顯的非線性和彈塑性力學(xué)特性。在當(dāng)前的研究中，級(jí)配碎石回彈模量的測(cè)試方法可以分為室內(nèi)測(cè)試方法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法和間接測(cè)試方法。

1)室內(nèi)測(cè)試方法。室內(nèi)測(cè)試方法主要包括動(dòng)三軸試驗(yàn)法、共振柱法、簡(jiǎn)單剪切實(shí)驗(yàn)和空心圓柱實(shí)驗(yàn)法等，這些測(cè)試方法都受試件尺寸與顆粒粒徑所限制。動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法。這種方法通常是在圍壓為常數(shù)條件下進(jìn)行，變圍壓測(cè)試則要求圍壓與豎向荷載同步改變。由于該測(cè)試是在不排水條件下進(jìn)行，孔隙壓力的數(shù)據(jù)便無(wú)從得知。另外，試件與集料界面的邊界效應(yīng)和摩擦也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)要求試件直徑至少10倍于集料最大粒徑，而標(biāo)準(zhǔn)試件的最大尺寸是0.15 m，也就是說(shuō)集料最大粒徑為0.015 m，這顯然與級(jí)配碎石基層集料尺寸不符。

室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)方法是測(cè)試級(jí)配碎石回彈模量的有效方法，但是對(duì)于工程實(shí)踐，該方法復(fù)雜且不經(jīng)濟(jì)，而且能否代表真實(shí)工作狀態(tài)尚存爭(zhēng)論。

2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。最常用的回彈模量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法是落錘式彎沉儀法(FWD)。落錘式彎沉儀在不需要鉆芯取樣的情形下給出了一種測(cè)試材料回彈模量的間接方法。還有一種較少使用的用光譜分析技術(shù)測(cè)試路面剛度的方法。這兩種方法的主要缺陷在于需要借助于公式推導(dǎo)才能獲取反映模量的未知參數(shù)，這就使得從測(cè)試數(shù)據(jù)中能提取的有效信息十分有限。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法可以克服室內(nèi)測(cè)試方法的缺陷，但是現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法都不能有效解決用以描述這種非線性橫向各向同性特性材料回彈模量的參數(shù)。此外，由于測(cè)試過(guò)程的不可再現(xiàn)性、對(duì)數(shù)據(jù)分析人員的專業(yè)要求和室內(nèi)/現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)關(guān)系的不明確性，都加大了現(xiàn)有直接測(cè)試手段的難度。

3)P波測(cè)試方法。為克服已有室內(nèi)測(cè)試方法和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的缺點(diǎn)，研究人員開(kāi)始關(guān)注回彈模量間接測(cè)試的方法。Douglas[2]基于應(yīng)力層分析成像原理，建立了級(jí)配碎石基層非線性回彈模量的P波測(cè)試方法。P波的傳播速度能夠反映非飽和集料骨架的剛度特性，基于這一原理，Douglas給出了一種新型的測(cè)試級(jí)配碎石基層回彈模量的間接方法。

在非飽和級(jí)配碎石介質(zhì)中，P波沿傳播方向的速度與其有效應(yīng)力之間存在著如下關(guān)系：

(1)

P波速度與材料回彈模量之間存在著如下關(guān)系：

M=ρ(VP)2

(2)

其中，ρ為級(jí)配碎石介質(zhì)的密度。

綜上，我們就可以得到不同應(yīng)力水平下回彈模量的取值：

(3)

根據(jù)式(1)～式(3)，我們就可以設(shè)定相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定不同應(yīng)力水平下P波的傳播速度反算出該應(yīng)力水平下材料的回彈模量。

1.2級(jí)配碎石本構(gòu)模型研究

各向同性線彈性材料的力學(xué)特性，可用彈性模量E和泊松比v兩個(gè)參數(shù)描述，橫向各向同性線彈性材料需要五個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述。而對(duì)于級(jí)配碎石這種回彈模量與應(yīng)力水平有關(guān)的非線性彈性材料，需要更多的參數(shù)。因此級(jí)配碎石本構(gòu)模型的建立，需要兼顧最簡(jiǎn)化計(jì)算與最優(yōu)化預(yù)測(cè)兩個(gè)互相矛盾的方面。

當(dāng)前用以描述級(jí)配碎石基層本構(gòu)關(guān)系的模型如表1所示。

表1　級(jí)配碎石本構(gòu)模型綜述

根據(jù)獲取模型方法的不同，可將上述模型分為兩類(lèi)：

1)通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理建立的回彈模量與各影響因素之間的回歸方程。如Rada和Witczak[5]通過(guò)回歸分析得到的回彈模量ER與飽和度S、壓實(shí)功EC和平均應(yīng)力p之間的函數(shù)關(guān)系式，以及Zaman等[7]建立的回彈模量ER與粘結(jié)力C、第一主應(yīng)力σ1、摩擦角φ和平均應(yīng)力p之間的函數(shù)關(guān)系式。

2)以力學(xué)理論為基礎(chǔ)從材料內(nèi)部機(jī)理出發(fā)建立的本構(gòu)方程。代表性的如Van Niekerk等[8]建立的回彈模量ER與平均應(yīng)力p、歸一化應(yīng)力p0、偏應(yīng)力q和極限偏應(yīng)力qf之間的函數(shù)關(guān)系式。

在本構(gòu)模型參數(shù)確定時(shí)，既要保證能滿足材料的物理特性又要充分提取獲得數(shù)據(jù)的信息。因而，上述兩種建模方法各有優(yōu)劣：回歸分析充分利用了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所反映的各個(gè)參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系，但受實(shí)驗(yàn)條件所限制，當(dāng)所表征材料的材料特性與獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)選用材料不同時(shí)，往往會(huì)有很大的出入，而力學(xué)模型在這方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。

因此，如能將兩種方法相結(jié)合，就能得到應(yīng)用更為廣泛更能真實(shí)反映材料實(shí)際工作狀態(tài)的方法。Douglas借鑒信息論的相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)了二者的融合，給出了一種表征級(jí)配碎石材料非線性彈塑性橫向各向同性力學(xué)性能的本構(gòu)模型：

(4)

(5)

(6)

(7)

其中，υzp,υpp均為常數(shù)；p0=1 kPa。

2　倒裝結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)分析

倒裝結(jié)構(gòu)路面可以大大減小面層底部裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子，有效減緩基層反射裂縫向上的擴(kuò)展，但是由于級(jí)配碎石層的加入，整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的非線性應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的特征更加明顯，受力發(fā)生了很大變化，就不能照搬以前半剛性結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，因此，有必要對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)路面從結(jié)構(gòu)上深入分析，研究不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，為結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)提供理論支持。

倒裝結(jié)構(gòu)路面級(jí)配碎石的回彈模量與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，基于線彈性假設(shè)的傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)分析方法不能正確反映級(jí)配碎石材料的這一特性，因此，不能用于倒裝路面的分析與設(shè)計(jì)。運(yùn)用有限元方法中用戶材料自定義子程序，可以準(zhǔn)確表述級(jí)配碎石基層橫向各向同性非線性彈塑性的本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而準(zhǔn)確分析倒裝結(jié)構(gòu)路面在荷載作用下各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)，為認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)倒裝結(jié)構(gòu)路面提供理論依據(jù)。

有限元方法用于路面結(jié)構(gòu)分析始于20世紀(jì)60年代，并形成適用于不同結(jié)構(gòu)情形的程序代碼。目前國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者嘗試運(yùn)用有限元的方法對(duì)倒裝路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。王春明[9]運(yùn)用有限元方法，對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)路面溫度場(chǎng)的時(shí)空分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在半剛性基層上鋪筑級(jí)配碎石和瀝青碎石，可改善基層頂部的溫度變化幅度及基層內(nèi)部溫度梯度，進(jìn)而減小半剛性基層溫縮引起的反射裂縫。王宏暢和黃曉明[10]利用ABAQUS建立了20節(jié)點(diǎn)等參立方體單元的有限元模型，采用奇異等參元法與斷裂力學(xué)理論，計(jì)算分析了倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面反射裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，并采用裂紋形成和裂紋擴(kuò)張兩階段法預(yù)估其疲勞壽命，研究表明級(jí)配碎石層可提高瀝青路面反射裂縫疲勞壽命，為倒裝結(jié)構(gòu)路面的應(yīng)用提供依據(jù)。

Efthymios和Juan[11]以Hertzian型指數(shù)方程:

(8)

作為級(jí)配碎石材料的本構(gòu)方程，在ABAQUS中建立三維有限元模型，研究了不同材料參數(shù)的變化對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)路面性能的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于給定倒裝結(jié)構(gòu)路面，存在一個(gè)最佳的瀝青面層厚度使得反射裂縫達(dá)到最小。王亮[12]將級(jí)配碎石基層模量分別取值為200 MPa，300 MPa，400 MPa和500 MPa，通過(guò)有限元計(jì)算，對(duì)比分析了不同級(jí)配碎石基層力學(xué)參數(shù)取值對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)路面面層層底應(yīng)力、層內(nèi)剪切應(yīng)力和基層層底應(yīng)力的影響，并以此為依據(jù)探討了倒裝結(jié)構(gòu)路面的厚度設(shè)計(jì)。

3　總結(jié)與展望

本文介紹了級(jí)配碎石回彈模量測(cè)試方法和本構(gòu)模型，闡述了以有限元為基礎(chǔ)的倒裝結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)分析?？梢钥闯?，國(guó)內(nèi)外對(duì)于級(jí)配碎石的研究尚不成熟，對(duì)于以級(jí)配碎石為中間層的倒裝結(jié)構(gòu)路面分析、設(shè)計(jì)與應(yīng)用也尚處于起步階段，有待于眾多學(xué)者們今后的進(jìn)一步研究，對(duì)倒裝路面后續(xù)的探索，我們可作如下展望：

1)級(jí)配碎石作為倒裝結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)層的重要組成材料，是一種典型顆粒類(lèi)松散材料，從微細(xì)觀尺度對(duì)它進(jìn)行力學(xué)分析，建立微觀力學(xué)與宏觀性能的關(guān)系，是我們今后研究工作的一個(gè)新方向。

2)現(xiàn)有級(jí)配碎石室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法都存在很多缺陷，對(duì)其測(cè)試新方法、新儀器的開(kāi)發(fā)也有待進(jìn)一步探討。

3)進(jìn)行倒裝結(jié)構(gòu)路面有限元數(shù)值模擬時(shí)，需采用準(zhǔn)確描述級(jí)配碎石材料橫向各向同性非線性彈塑性的本構(gòu)模型，以準(zhǔn)確分析倒裝結(jié)構(gòu)路面在荷載作用下各結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)，為認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)倒裝結(jié)構(gòu)路面提供理論依據(jù)。

[1]楊斌,陳拴發(fā),王秉綱,等.級(jí)配碎石裂縫緩解層防裂機(jī)理及足尺疲勞試驗(yàn)[J].公路交通科技，2006,23(12):37-40.

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[12]王亮.級(jí)配碎石上基層路用性能研究及路面結(jié)構(gòu)分析[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)建筑大學(xué),2011.

Research summary on inverted base pavement structures★

Pei Yi

(HighwayCollegeofChang’anUniversity,Xi’an710064,China)

The review of inverted base pavement structures domestic and international has been presented. The mechanical property and texting methods of unbound aggregate base has been discussed. The constitutive models characterizing the mechanical behavior of unbound aggregate base has been summarized. The finite element based structure analysis of inverted base pavement has been expounded. At last, we advanced the future researches on inverted base pavement structures.

inverted base pavement structures, granular base, constitutive model, numerical simulation

1009-6825(2016)19-0128-03

2016-04-26★:國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：201510710001)

裴儀(1995- )，女，在讀本科生

U416

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