層間狀態(tài)對瀝青路面力學(xué)性能與疲勞壽命影響研究

陳亞章， 呂繼群

(1.湖南省郴州公路橋梁建設(shè)有限責任公司, 湖南 郴州 423000; 2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 杭州 311231)

層間狀態(tài)對瀝青路面力學(xué)性能與疲勞壽命影響研究

陳亞章1， 呂繼群2

(1.湖南省郴州公路橋梁建設(shè)有限責任公司, 湖南 郴州 423000; 2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 杭州 311231)

層間結(jié)合狀態(tài)是影響瀝青路面力學(xué)性能與使用性能的重要因素。鑒于目前我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范中層間完全連續(xù)且不產(chǎn)生相對滑移假定的缺陷，采用BISAR3.0軟件中的簡化剪切彈性柔量ALK來描述層間結(jié)合狀態(tài)，并以水平荷載和豎向荷載共同作用作為加載方式，得到相應(yīng)的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)，同時對瀝青路面疲勞壽命進行預(yù)估。結(jié)果表明：層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青層底彎拉應(yīng)力、彎拉應(yīng)變與剪應(yīng)力影響較大，而對路表彎沉影響較??；層間結(jié)合的弱化對瀝青路面疲勞壽命影響顯著。

瀝青路面; 層間狀態(tài)； 簡化剪切彈性柔量； 水平荷載； 力學(xué)性能； 疲勞壽命

半剛性基層瀝青路面是一種典型的路面結(jié)構(gòu)，在我國高等級公路中應(yīng)用廣泛。由于路面采用分層鋪筑，層間結(jié)合處置方法的不成熟導(dǎo)致層間結(jié)合狀態(tài)與現(xiàn)行我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范中層間完全連續(xù)的假定[1]存在一定差異。實踐表明：實際瀝青路面的層間結(jié)合狀態(tài)介于完全連續(xù)與完全光滑之間，是一種半結(jié)合狀態(tài)[2]。因此層間狀態(tài)就成為了瀝青路面設(shè)計與施工中的薄弱環(huán)節(jié)，既影響了瀝青路面的力學(xué)性能，同時層間結(jié)合狀態(tài)退化引起的路面早期病害，也降低了路面的使用性能[3,4]。

對于非完全連續(xù)的層間結(jié)合狀態(tài)，水平荷載的存在會進一步削弱層間的結(jié)合。鑒于此，本文采用BISAR3.0軟件中的簡化剪切彈性柔量ALK來表征不同的層間結(jié)合狀態(tài)[5]，同時以水平荷載與豎向荷載共同作用作為加載方式，計算不同層間結(jié)合狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)，并對瀝青路面的疲勞壽命進行預(yù)估[6]。

1 路面結(jié)構(gòu)與計算模型

根據(jù)我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范以及半剛性基層路面結(jié)構(gòu)形式，選取的瀝青路面典型結(jié)構(gòu)及各層的物理、力學(xué)參數(shù)見圖1。加載方式： 豎向為標準軸載BZZ — 100 kN的雙圓均布荷載，當量圓直徑為21.3cm，兩荷載圓圓心間距為31.95 cm；水平向為摩擦系數(shù)0.3、與行車方向相同的單輪7.5 kN的水平荷載。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

2 層間狀態(tài)理論描述

對于層間非連續(xù)狀態(tài)的描述，主要有2種模型：一是庫侖摩擦模型，二是Goodman模型。BISAR3.0中的簡化剪切彈性柔量ALK就是以Goodman模型為基礎(chǔ)，通過層間的水平剪切力與相對位移的關(guān)系來描述層間接觸問題。將相鄰兩層的分界面看成是一個無限薄的內(nèi)層，ALK就可表示成：

(1)

式中: ALK為簡化剪切彈性柔量，m；E為層間界面上層的彈性模量，MPa；μ為該層的泊松比；AK為標準剪切彈性柔量，m3/N，它定義為界面薄層上相對水平位移的大小與作用面上剪應(yīng)力大小的比值，即：

(2)

式中: ΔU為層間相對水平位移，m；τ為作用在層間界面上的剪應(yīng)力，MPa。

研究表明， 當ALK從0到100r(r為荷載半徑，見圖1)之間大量取值時就包括了層間完全連續(xù)到完全光滑的所有情況[7]。鑒于半剛性基層瀝青路面面層與基層的結(jié)合狀態(tài)是影響路面力學(xué)性能與使用性能的關(guān)鍵因素，本文假定其他各層間均為完全連續(xù)狀態(tài)，只考慮瀝青面層與基層間的結(jié)合狀態(tài)變化，所取參數(shù)值見表1。同時取距輪隙中心分別為0、0.053 25、0.15975、0.26625 m的4個點位(圖1中的A、B、C、D)來計算路面力學(xué)響應(yīng)。

表1 基—面層間狀態(tài)參數(shù)值層間狀態(tài)ALK/m完全連續(xù)0半結(jié)合0.1、0.25、0.5、1、5完全滑動10.65

3 力學(xué)響應(yīng)計算結(jié)果及分析

3.1 層間狀態(tài)對彎拉應(yīng)力的影響

在水平荷載與豎向荷載共同作用下，不同層間結(jié)合狀態(tài)的瀝青面層底部彎拉應(yīng)力變化曲線如圖2所示，各狀態(tài)的最大彎拉應(yīng)力值及變化率見表2。

圖2 瀝青層底彎拉應(yīng)力變化圖

由圖2可知，當基 — 面層間狀態(tài)ALK=0和0.1時，瀝青層底為壓應(yīng)力，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青層底逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。當ALK=0.25 m時，荷載中心處率先出現(xiàn)拉應(yīng)力，當ALK超過0.25 m后，4個計算點位均為拉應(yīng)力；同時，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，荷載中心處逐漸由下凹變?yōu)樯贤?，即由最安全退化為最不利，退化速度最快?/p>

由表2所列結(jié)果可知，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青層底最大彎拉應(yīng)力逐漸由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，且層間完全光滑時瀝青層底最大彎拉應(yīng)力較完全連續(xù)時增大了501.71%。因此，層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青層底彎拉應(yīng)力影響較為顯著。

表2 組合荷載作用下瀝青層底最大彎拉應(yīng)力及變化率層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m瀝青層底最大彎拉應(yīng)力/Pa變化率/%0-4319000.1-46280-7.150.256666115.430.551820219.98191940312.875155900460.9610.65173500501.71 注:變化率=(各層間狀態(tài)下的瀝青層底最大彎拉應(yīng)力-完全連續(xù)時的瀝青層底最大彎拉應(yīng)力)/(-完全連續(xù)時的瀝青層底最大彎拉應(yīng)力)×100%。

3.2 層間狀態(tài)對彎拉應(yīng)變的影響

在組合荷載作用下，不同層間結(jié)合狀態(tài)的瀝青面層底部彎拉應(yīng)變變化曲線如圖3所示，各狀態(tài)的最大彎拉應(yīng)變值及變化率見表3。由圖3可知，當基-面層間完全連續(xù)時,瀝青層底彎拉應(yīng)變最小，當ALK=0.1時，瀝青層底彎拉應(yīng)變就出現(xiàn)了較大的增加，說明瀝青層底彎拉應(yīng)變對層間結(jié)合狀態(tài)改變的反應(yīng)較為敏感。同時，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青層底彎拉應(yīng)變逐漸增大，且在各種層間狀態(tài)下，荷載中心處的彎拉應(yīng)變均為最大。

圖3 瀝青層底彎拉應(yīng)變變化圖

從表3所列結(jié)果可以看出，當層間完全連續(xù)時，瀝青層底最大彎拉應(yīng)變只有7.75με，但當ALK=0.1時，瀝青層底最大彎拉應(yīng)變就變成了52.78με，增長了581.47%。當層間完全光滑時，瀝青層底最大彎拉應(yīng)變則變成了165.60με，較完全連續(xù)時增大了2038.15%。因此，層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青層底彎拉應(yīng)變影響非常顯著，同時，彎拉應(yīng)變對層間狀態(tài)改變的響應(yīng)也非常敏感。

表3 組合荷載作用下瀝青層底最大彎拉應(yīng)變及變化率層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m瀝青層底最大彎拉應(yīng)變變化率/%07.75με00.152.78με581.470.2582.09με959.910.5105.10με1257.011125.50με1520.405157.20με1929.7010.65165.60με2038.15 注:變化率=(各層間狀態(tài)下的瀝青層底最大彎拉應(yīng)變-完全連續(xù)時的瀝青層底最大彎拉應(yīng)變)/(完全連續(xù)時的瀝青層底最大彎拉應(yīng)變)×100%,下同。

3.3 層間狀態(tài)對剪應(yīng)力的影響

在水平荷載與豎向荷載共同作用下，不同層間結(jié)合狀態(tài)下的瀝青面層底部剪應(yīng)力變化曲線如圖4所示，各狀態(tài)的最大剪應(yīng)力值及變化率見表4。

圖4 瀝青層底剪應(yīng)力變化圖

由圖4可知，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青層底剪應(yīng)力逐漸增大，且除了層間完全連續(xù)狀態(tài)外，各層間結(jié)合狀態(tài)下的荷載中心處剪應(yīng)力均為最大。剪應(yīng)力的增大會進一步削弱層間結(jié)合狀態(tài)，在反復(fù)荷載作用下，引起瀝青路面的早期病害。

從表4的計算結(jié)果可以看出，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青層底最大剪應(yīng)力增大的較為均勻，層間完全光滑時的瀝青層底最大剪應(yīng)力較完全連續(xù)時增大了144.86%。因此，層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青層底剪應(yīng)力影響較大，但不會出現(xiàn)突增現(xiàn)象。

表4 組合荷載作用下瀝青層底最大剪應(yīng)力及變化率層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m瀝青層底最大剪應(yīng)力/Pa變化率/%010210000.112630023.700.2515800054.750.518290079.141205200100.985240500135.5510.65250000144.86

3.4 層間狀態(tài)對路表彎沉的影響

在組合荷載作用下，不同層間結(jié)合狀態(tài)下的瀝青路面路表彎沉值變化曲線如圖5所示，各狀態(tài)下的最大路表彎沉值及變化率見表5。本文為了計算上的通過，同時為了兼顧精確度，選取距路表0.1 mm 4個計算點位的彎沉值來近似代替路表彎沉值。

由圖5可知，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青路面路表彎沉值逐漸增大，且在各結(jié)合狀態(tài)下，荷載中心處的路表彎沉值均為最大。在長期荷載作用下，較大的路表彎沉值會引起瀝青路面的車轍病害，降低路面的使用性能。

由表5的計算結(jié)果可見，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的退化，瀝青路面路表最大彎沉值逐漸增大，但層間完全光滑時的路表最大彎沉值較完全連續(xù)時僅增大了16.55%。因此，層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青路面路表彎沉值影響較小。

圖5 路表彎沉值變化圖

表5 組合荷載作用下路表最大彎沉值及變化率層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m路表最大彎沉值/mm變化率/%00.331700.10.33641.420.250.34112.830.50.34654.4610.35366.6050.375713.2710.650.386616.55

4 瀝青層底疲勞壽命分析

疲勞破壞是瀝青路面主要破壞形式之一，瀝青路面的疲勞壽命是指達到臨界破壞狀態(tài)時瀝青路面所能承受的標準軸載作用次數(shù)。層間結(jié)合狀態(tài)的改變會引起瀝青路面應(yīng)力重分布，從而影響瀝青路面的疲勞壽命。根據(jù)我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范，當以瀝青層底拉應(yīng)力為控制指標時，疲勞壽命為：

(3)

式中:Ne為路面容許作用的疲勞次數(shù)，次；σS為瀝青混凝土的極限劈裂強度，MPa；σR為路面結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力，MPa。

將表2的計算結(jié)果帶入式(3)得到以瀝青層底彎拉應(yīng)力為控制指標的疲勞壽命見表6。由于在ALK=0和0.1時瀝青層底為壓應(yīng)力，因此對這2種情況不予計算。由表6的計算結(jié)果可知，層間結(jié)合狀態(tài)退化初期，瀝青層底疲勞壽命降低較快，之后逐漸減??；層間完全光滑時，疲勞壽命較初期減

表6 不同層間狀態(tài)疲勞壽命計算結(jié)果層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m疲勞壽命Ne/次00.10.251.601×10140.51.433×101011.058×10959.590×10710.655.898×107

小了7個數(shù)量級。

結(jié)合國外研究資料，當以瀝青層底彎拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜藭r，疲勞壽命為：

(4)

式中:Nf為路面容許作用的疲勞次數(shù)，次；k1、k2為由疲勞試驗確定的參數(shù)。

國外研究資料表明，參數(shù)k2的變化范圍為3.17～6.13，平均值為4.36；k1的變化范圍為3.98×10-15～1.247×10-7，且k1與k2存在著一定的函數(shù)關(guān)系：

k2=-0.3269lgk1+1.1857

(5)

本文中取平均值k2=4.36，則k1=1.9485×10-10。

將表3的計算結(jié)果代入式(4)得到以瀝青層底彎拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜说钠趬勖姳?。

表7 不同層間狀態(tài)疲勞壽命計算結(jié)果層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m疲勞壽命Nf/次層間結(jié)合狀態(tài)ALK/m疲勞壽命Nf/次03.746×101211.994×1070.18.704×10857.467×1060.251.269×10810.655.951×1060.54.320×107

從表7的計算結(jié)果可以看出，雖然以瀝青層底彎拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜说钠趬勖c彎拉應(yīng)力存在一定的差異，但疲勞壽命隨層間結(jié)合狀態(tài)退化的變化規(guī)律基本相同，均是初期疲勞壽命降低較快，之后逐漸減小，且層間完全光滑時的疲勞壽命較完全連續(xù)減小了多個數(shù)量級。

由2種控制指標的疲勞壽命計算結(jié)果均可以看出，層間不良結(jié)合狀態(tài)會引起瀝青路面疲勞壽命的大幅度降低。因此，在反復(fù)載荷作用下，層間不良結(jié)合狀態(tài)將會引起瀝青層底過早地出現(xiàn)疲勞開裂。

5 結(jié)論

本文以簡化剪切彈性柔量ALK來描述層間結(jié)合狀態(tài)，得到了水平荷載與豎向荷載共同作用時不同層間狀態(tài)的力學(xué)響應(yīng)，并分別以瀝青層底彎拉應(yīng)力與彎拉應(yīng)變作為控制指標，計算出相應(yīng)的瀝青層底疲勞壽命，主要結(jié)論如下：

1) 層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青層底彎拉應(yīng)力、彎拉應(yīng)變以及剪應(yīng)力影響較大，而對路表彎沉影響較小。

2) 雖然以2種控制指標計算得到的瀝青層底疲勞壽命存在一定差異，但均反映出層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青層底疲勞壽命影響較大，且初期降低較快，之后逐漸減小。

3) 層間結(jié)合狀態(tài)的退化對瀝青路面力學(xué)性能及疲勞壽命影響顯著，因此，在設(shè)計和施工中應(yīng)充分重視基 — 面層的粘結(jié)問題，采取合理的施工材料及工藝，提高路面的使用壽命和服務(wù)水平。

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2016-11-08

陳亞章( 1982-) ，男，工程師，主要從事路橋施工。

1008-844X(2017)01-0088-04

U 416.217

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