水平荷載作用下半剛性基層瀝青混凝土路面開裂的擴(kuò)展

張興宇

(遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司， 貴州 遵義 563000)

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水平荷載作用下半剛性基層瀝青混凝土路面開裂的擴(kuò)展

張興宇

(遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司， 貴州 遵義 563000)

采用三維有限元方法，對(duì)半剛性基層瀝青混凝土路面在水平荷載作用下開裂情況進(jìn)行了分析，研究了水平荷栽作用不同時(shí)半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，分析了半剛性基層厚度和土基模量對(duì)水平荷載產(chǎn)生應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：水平荷載加載后，在0≤μ≤0.3，路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力τmax峰值和最大拉應(yīng)力σ1峰值的變化較小，μ>0.3，兩值有明顯增加。水平荷載大小對(duì)路面結(jié)構(gòu)τmax峰值的影響主要集中在路面上部，在μ為0.3時(shí)，τmax在路表出現(xiàn)；在基層深處，水平荷載的影響較?。煌粱Ａ克胶奢d所施加的力主要集中在路面結(jié)構(gòu)層上部，在一定深度以后水平荷載所施加的影響甚微。

水平荷載； 半剛性； 瀝青混凝土； 開裂

1 概述

瀝青混凝土路面是我國高等級(jí)公路的主要路面形式，與水泥混凝土路面不同，其具有無接縫平整路面、行車過程中的低噪音、較短的施工周期、養(yǎng)護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在瀝青混凝土路面的開裂破壞中，造成的主要因素是行車荷載，我國在進(jìn)行瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了輪載的垂直力作用，汽車行駛時(shí)，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，由于摩擦作用對(duì)路面產(chǎn)生了一定的水平切向力。在路面使用過程中，既受到垂直力的作用，同時(shí)也受到水平力的作用，是這兩種力共同作用的結(jié)果[4]。

在路面上坡較長或較陡的路段，瀝青混凝土路面易遭受破壞，這是由于重載車輛在這種路段行駛比較緩慢，隨著坡度的增加，應(yīng)力也隨之顯著增大造成的；在道路交叉口，車輛剎車時(shí)也會(huì)有較大水平力產(chǎn)生，當(dāng)水平力超過一定值時(shí)，產(chǎn)生較大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力而發(fā)生剪切和拉裂等破壞[5-7]。

開裂是瀝青路面早期主要病害之一，目前關(guān)于瀝青路面開裂的研究，主要集中在結(jié)構(gòu)層底部的疲勞開裂或基層的反射開裂[8-10]。近年來出現(xiàn)了一種瀝青路面表面開裂，道路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，而半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)受力尤為復(fù)雜[11]。本文采用三維有限元方法，對(duì)水平荷載作用下半剛性基層瀝青混凝土路面開裂的擴(kuò)展進(jìn)行了研究。

2 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)

本文半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)從表面到底部共6部分，分別為上面層部分、中面層部分、下面層部分、基層部分、底基層部分、土基部分，路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1。

表1 半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)Table1 Thestructureparametersofsemi-rigidbaseas-phaltpavement路面各結(jié)構(gòu)層厚度/cm模量/MPa泊松比上面層415000.15中面層514000.15下面層612000.20基層2515000.25底基層207000.30土基—540.35

3 計(jì)算模型

本文根據(jù)上述建模參數(shù)，利用ANSYS有限元軟件對(duì)半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)建立11 m×11 m×7.5 m的三維數(shù)值模型，其中，Z軸方向表示路面深度方向，Y軸方向表示行車方向，X軸方向表示路面橫向，對(duì)路基底部進(jìn)行邊界條件的全約束，其他四個(gè)截面分別約束其法向位移，具體如圖1所示。

圖1 幾何模型透視圖Figure 1 The perspective of geometric model

根據(jù)表1半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)及各層的參數(shù)，建立三維幾何模型透視圖(見圖1)，利用ANSYS軟件，在進(jìn)行模型的分析計(jì)算時(shí)，如果網(wǎng)格劃分不當(dāng)，會(huì)造成結(jié)果偏大或偏小。網(wǎng)格劃分過寬，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果精度較差；網(wǎng)格劃分過細(xì)，會(huì)導(dǎo)致單元尺寸偏小，也會(huì)引起計(jì)算的工作量增大。因此，模型網(wǎng)格的劃分要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，而不是越細(xì)效果越好。本文根據(jù)路面實(shí)際情況，在行車載荷區(qū)域范圍內(nèi)，網(wǎng)格劃分較細(xì)，在行車載荷區(qū)域范圍外，網(wǎng)格劃分的尺寸較大，模型透視圖見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分透視圖Figure 2 The perspective of mesh generation

在進(jìn)行分析計(jì)算之前，要規(guī)定模型的邊界條件，將地基、基層、各面層作為有限尺寸，其中規(guī)定地基為彈性半空間體，路基為固定面。在X和Z方向上，分別與X和Z相垂直的兩斷面無位移，各結(jié)構(gòu)層完全接觸且連續(xù)。有限元模型在網(wǎng)格劃分完后產(chǎn)生，最后加載并計(jì)算求解。本文以最大拉應(yīng)力σ1指標(biāo)做參考，對(duì)路面結(jié)構(gòu)中最大剪應(yīng)力τmax的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 水平荷載作用下路面結(jié)構(gòu)受力分析

本文根據(jù)建立的三維有限元模型，計(jì)算加載后半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)表1的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，在不同的水平力系數(shù)μ作用下，得到最大剪應(yīng)力峰值τmax、最大拉應(yīng)力峰值σ1和距路表深度方向的距離，結(jié)果見表2。

從表2可以看出：水平荷載加載后，隨水平力系數(shù)μ的增大，半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力τmax峰值也呈增加趨勢。在0≤μ≤0.3，τmax峰值比較接近，μ從0.1增加到0.3，τmax僅增加了2.1%；但在μ由0.3增大到0.6時(shí)，τmax增加近49.8%，增加非常明顯。

在各水平力系數(shù)下的τmax峰值可以看出：其對(duì)應(yīng)的距路表深度的距離表明，在μ=0.1時(shí)，τmax在距路表以下0.035 m處出現(xiàn)，在μ=0.2時(shí)，τmax則在距路表以下0.015 m處出現(xiàn)，可見在μ內(nèi)小于某一程度時(shí)，τmax出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)某一深度范圍；當(dāng)μ增大到0.3時(shí)，τmax則在路表出現(xiàn)，這說明當(dāng)μ大于一定程度時(shí)，τmax峰值則會(huì)出現(xiàn)在路表面。

表2 水平荷載下最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力峰值及其位置Table2 Themaximumshearstressandmaximumtensilestresspeakvalueanditspositionunderhorizontalload水平力系數(shù)μ最大剪應(yīng)力峰值τmax/MPa距路表深度/m最大拉應(yīng)力峰值σ1/MPa距路表深度/m0.10.2710.0350.11000.20.2800.0150.11200.30.29200.11600.40.35300.16000.50.42700.20500.60.58400.3010

從表2最大拉應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)表明，μ較小時(shí)，σ1峰值相差較小，在μ由0.1增大到0.3時(shí)，σ1僅僅增加了5.2%；但當(dāng)μ>0.3以后，σ1峰值增加幅度較大，μ從0.3增加到0.6，σ1增大了61.5%，這與最大剪應(yīng)力峰值的變化規(guī)律一致。σ1峰值水平力荷載作用下基本位于路表處。

當(dāng)水平力較大時(shí)，路表處最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力增大顯著，剪切和拉裂破壞主要產(chǎn)生在車輛急剎車的路段，這主要是由于急剎車導(dǎo)致路表附近產(chǎn)生過大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。

4.2 水平力系數(shù)對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)影響

4.2.1 最大拉應(yīng)力峰值(見圖3)

不同水平力系數(shù)μ下各路面層的σ1峰值均隨μ的增大而增加，在μ相同時(shí)，各結(jié)構(gòu)層的σ1峰值由大到小的順序依次為上面層、基層、中面層、下面層；在μ≤0.3時(shí)，其σ1峰值相差較小，而μ>0.3時(shí)，σ1峰值增加的幅度較大。這是因?yàn)樵讦梯^小時(shí)，σ1峰值在路面結(jié)構(gòu)層深處，μ對(duì)σ1峰值影響較?。辉讦梯^大時(shí)，σ1峰值已轉(zhuǎn)到路表，μ對(duì)σ1峰值影響較大。

圖3 最大拉應(yīng)力峰值對(duì)比Figure 3 The comparison of maximum tensile stress

4.2.2 最大拉應(yīng)變峰值(見圖4)

不同水平力系數(shù)μ下各路面層的最大拉應(yīng)變峰值均隨μ的增大而增加，在μ相同時(shí)，各結(jié)構(gòu)層的最大拉應(yīng)變峰值由大到小的順序依次為基層、中面層、上面層、下面層；在μ≤0.3時(shí)，其最大拉應(yīng)變峰值相差較小，而μ>0.3時(shí)，最大拉應(yīng)變峰值增加的幅度較大。這是因?yàn)樵讦梯^小時(shí)，最大拉應(yīng)變峰值在路面結(jié)構(gòu)層深處，μ對(duì)最大拉應(yīng)變峰值影響較??；在μ較大時(shí)，最大拉應(yīng)變峰值已轉(zhuǎn)到路表，μ對(duì)最大拉應(yīng)變峰值影響較大。

圖4 最大拉應(yīng)變峰值對(duì)比Figure 4 The comparison of maximum tensile strain

4.2.3 最大剪應(yīng)力峰值(見圖5)

圖5顯示：不同水平力系數(shù)μ下，下面層和基層對(duì)整體路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變峰值影響較大；μ>0.3時(shí)，基層對(duì)τmax峰值的降低效果較明顯，隨著μ的增大，τmax峰值降低效果就越顯著，而0≤μ≤0.3時(shí)，基層的τmax峰值與其他層相差不大。在0≤μ≤0.3時(shí)，下面層能將τmax峰值降低近14.3%，在μ>0.3時(shí)，下面層能大幅度降低τmax峰值，其降低幅度高過上面層、中面層和基層。這表明在水平荷載較大時(shí)，下面層降低τmax峰值效果最好，其他層效果順序依次為中面層、上面層、基層。

圖5 最大剪應(yīng)力峰值對(duì)比Figure 5 The comparison of maximum shear stress

4.2.4 最大剪應(yīng)變峰值(見圖6)

圖6顯示：0≤μ≤0.3時(shí)，路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)變峰值的相差較??；但μ>0.4，上面層和下面層對(duì)路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變峰值的降低效果最為顯著。在μ=0.5和μ=0.7時(shí)，上面層的最大剪應(yīng)變峰值要比基層分別小22.0%和33.3%。在μ值不同時(shí)，下面層比上面層對(duì)整體路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變峰值降低的效果要好。

圖6 最大剪應(yīng)變峰值對(duì)比Figure 6 The comparison of peak shear strain

4.3 半剛性基層厚度的影響

取μ=0.3，計(jì)算μ相同時(shí)半剛性基層瀝青混凝土路面分別為18 cm和28 cm時(shí)的力學(xué)響應(yīng)，其最大剪應(yīng)變峰值和最大應(yīng)力峰值的數(shù)據(jù)見圖7、圖8。

圖7 最大剪應(yīng)變峰值對(duì)比Figure 7 The comparison of peak shear strain

圖8 最大拉應(yīng)力峰值對(duì)比Figure 8 The comparison of maximum tensile stress

從圖7和圖8可以看出：隨著路面深度的增加，τmax峰值逐漸減小，σ1峰值逐漸增加；在深度相同處，基層厚度為18 cm和28 cm的τmax峰值及σ1峰值差別不大，這主要是由于水平荷載的影響范圍主要在路面的上部，其作用在基層深處較小?？梢娝胶奢d產(chǎn)生受基層厚度的變化的應(yīng)力影響較小。

4.4 土基模量的影響

取μ=0.3，研究在土基模量分別為54 MPa和180 MPa時(shí)半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，部分深度的數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

圖9 最大剪應(yīng)變峰值對(duì)比Figure 9 The comparison of peak shear strain

圖10 最大拉應(yīng)力峰值對(duì)比Figure 10 The comparison of maximum tensile stress

從圖9和圖10可以看出：隨著路面深度的增加，σ1峰值逐漸減小，τmax峰值逐漸增加；在深度相同處，σ1峰值和τmax峰值差別不大，基層厚度為180 cm的σ1峰值和τmax峰值比54 cm的略高，這說明水平荷載產(chǎn)生的應(yīng)力受土基模量的變化影響較小，這主要是由于水平荷載所施加的力主要集中在路面結(jié)構(gòu)層上部，一定深度以后所受影響甚微。

5 結(jié)論

① 水平荷載加載后，隨水平力系數(shù)μ的增大，半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力τmax峰值和最大拉應(yīng)力σ1峰值呈增加趨勢。在0≤μ≤0.3，τmax峰值和σ1峰值的變化較小，μ>0.3，兩值有明顯增加。在μ內(nèi)小于某一程度時(shí)，τmax出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)某一深度范圍；當(dāng)μ增大到0.3時(shí)，τmax則在路表出現(xiàn)。最大拉應(yīng)力與最大剪應(yīng)力峰值的變化規(guī)律一致，σ1峰值基本在位于路表處出現(xiàn)。

②μ為0.3時(shí)，半剛性基層瀝青混凝土路面在上面層、中面層、下面層和基層都能在深度方向上減小相應(yīng)結(jié)構(gòu)層位的最大剪應(yīng)變。但下面層比基層效果要好，較大水平荷載作用下，就降低路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變峰值而言，基層效果最好，上面層效果次之。0≤μ≤0.3時(shí)，路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)變峰值的相差較?。坏?0.4，上面層和下面層對(duì)路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變峰值的降低效果最為顯著。

③ 水平荷載產(chǎn)生受基層厚度的變化的應(yīng)力影響較小，水平荷載的影響范圍主要在路面的上部，其作用在基層深處較?。凰胶奢d產(chǎn)生的應(yīng)力受土基模量的變化影響較小，水平荷載所施加的力主要集中在路面結(jié)構(gòu)層上部，一定深度以后所受影響甚微。

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Crack Extension of Semi Rigid Base Asphalt Concrete Pavement under Horizontal Load

ZHANG Xingyu

(Zunyi Communications Survey & Design Co.Ltd.， Zunyi， Guizhou 563000， China)

The three-dimensional finite element method in this paper，has carried on the analysis to the cracking of semi-rigid base asphalt concrete pavement under the action of horizontal load，calculated at different levels of loading mechanics of semi-rigid base asphalt concrete pavement structure response rules，analysis of the semi-rigid base thickness and sub-grade modulus of horizontal load produced the effect of stress.The results show that the horizontal loading，At is 0≤μ≤0.3，pavement structure of maximum shear stress sigmaσ1peak and the maximum tensile forceτmaxMax peak changed little；At isμ>0.3，two values increased significantly.The effect of horizontal loads on pavement structure tau Max peak is mainly concentrated on the upper part of the road surface，the closer to the road surface，the greater the effect of the horizontal force.At isμsmaller than 0.3 andτmaxMax peak in the table；in the depths of the grassroots，horizontal load has little effect；horizontal load of sub-grade modulus of the applied force mainly concentrated in the upper layers of pavement structure，the horizontal loads imposed by the little effect in certain depth.

horizontal load； semi-rigid； asphalt concrete； crack

2016 — 08 — 01

張興宇(1972 — )，男，貴州湄潭人，高級(jí)工程師，研究方向：半剛性基層瀝青混凝土路面開展的擴(kuò)展。

U 418.6+6

A

1674 — 0610(2016)05 — 0244 — 05