基于季節(jié)時溫的瀝青路面溫荷耦合動力性能分析*

艾長發(fā) 黃大強 余孝麗 任東亞 邱延峻

(1.西南交通大學 土木工程學院， 四川 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室， 四川 成都 610031；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

基于季節(jié)時溫的瀝青路面溫荷耦合動力性能分析*

艾長發(fā)1,2黃大強2,3?余孝麗1,2任東亞1,2邱延峻1,2

(1.西南交通大學 土木工程學院， 四川 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室， 四川 成都 610031；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

為探究大溫差地區(qū)季節(jié)時溫變化對瀝青路面性能的影響規(guī)律，考慮瀝青混凝土的時溫粘彈性，采用數(shù)值模擬方法，針對兩種典型瀝青路面結構——水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層(結構S1)及級配碎石柔性基層(結構S2)進行了基于季節(jié)時溫變化的路面結構溫荷耦合動力行為與性能分析.結果表明：隨軸重增加、動載頻率降低、水平推力方向由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同以及層間狀態(tài)惡化，瀝青層層底應力總體呈增大趨勢，疲勞壽命逐漸降低；路面溫度分布的變化對各結構層拉應力的影響表現(xiàn)為夏季顯著而冬季不顯著，且對于面層層底拉應力，夏季小于冬季，高溫時刻小于低溫時刻，基層拉應力則表現(xiàn)出相反的變化趨勢；雖然結構S1的瀝青層在不同時溫下的疲勞壽命優(yōu)于結構S2，但存在隨時溫改變而急劇波動的不足；相反，結構S2波動小，性能穩(wěn)定，具有更好的環(huán)境適應性.

瀝青路面；溫度荷載；車輛動荷載；耦合；動力行為；疲勞性能

隨著國家經濟發(fā)展由東向西輻射，國家高速公路網絡建設重心已由東部沿海發(fā)達地區(qū)逐漸向中西部地區(qū)轉移，瀝青路面結構的自然環(huán)境愈加苛刻，且重載交通日趨嚴重，這將導致其在高溫性能、疲勞損傷、耐久性等方面產生一些新的問題.但溫度對路面結構性能的影響依然考慮不足，因此剖析溫度與車輛荷載多場耦合作用下的瀝青路面力學行為與作用機制是西部特殊環(huán)境下瀝青路面設計分析的理論基礎.劉圣潔[1]根據(jù)實測資料分析了不同溫度分布狀態(tài)下瀝青路面的力學響應；黃優(yōu)等[2]結合溫度因素研究層間結合狀況對復合式路面剪應力的影響；艾長發(fā)等[3]分析了具有層間接觸特性的瀝青路面在不同溫度場狀況下與水平及豎向荷載耦合作用的靜力學響應；申愛琴等[4]在施加太陽輻射等溫度荷載的同時施加車輛荷載，研究了半剛性瀝青路面在耦合場下的力學響應量.對于在溫度與荷載等因素共同作用下的路面性能，研究者們也做了大量研究工作.顧興宇等[5]進行了不同溫度及車輛荷載條件下瀝青路面車轍變化規(guī)律的研究；黃兵等[6]分析了層間接觸狀態(tài)、溫度和軸載荷等因素對瀝青層底動應變的影響規(guī)律，并構建了瀝青層在這些因素作用下的疲勞方程表達式；郭芳等[7]分析了環(huán)境溫度變化時混合式基層瀝青路面結構的疲勞損傷特性；張麗娟等[8]對重復荷載作用下的瀝青混合料進行了粘彈性有限元分析及變形預測；張磊等[9]分析了CROP+AC復合式路面在溫度與荷載耦合作用下，CROP面板結構損傷的演化規(guī)律以及裂縫張開閉合的行為特征；李凌林等[10]基于水平移動荷載作用下的瀝青路面響應，分析了長大縱坡路段、城市交叉口及公交站臺處路面永久變形嚴重的原因；韋璐等[11]基于Miner疲勞累積損傷定理，分析了路表不同溫度及其組合對瀝青路面疲勞損傷的影響.上述研究對特殊環(huán)境下的瀝青路面結構選型、病害產生機理及養(yǎng)護管理對策制定具有重要的參考價值，但研究中尚存在一定不足，例如，有關溫度與荷載的耦合力學行為，尚未進行由于季節(jié)時溫變化而導致路面性能存在差異的對比分析，同時在基于層間接觸模型的路面動力分析中，對瀝青混凝土性質的時溫依懶性考慮不周，并忽略了水平荷載及其作用方向對路面性能的影響.基于此，文中在已有研究的基礎上，從瀝青混合料動態(tài)模量試驗出發(fā)，擬合黏彈參數(shù)，模擬路面在溫度與行車動荷載耦合作用下的力學響應，分析軸重、動載頻率、水平力系數(shù)及層間狀態(tài)等因素對不同季節(jié)、不同時溫條件下的路面動力響應的影響規(guī)律，并基于典型瀝青路面疲勞壽命預估模型，定量評估季節(jié)時溫變化對動載作用下的瀝青層疲勞壽命的影響.

1 路面三維動載有限元模型

1.1 材料參數(shù)

現(xiàn)行規(guī)范路面設計計算采用基于車輛靜荷載的靜力計算法，材料模量取值采用靜態(tài)模量，但路面實際工作時所受的車輛荷載是動荷載，材料模量取值應采用動態(tài)模量.本研究中，瀝青面層材料參數(shù)采用動態(tài)模量試驗獲取，基于試驗結果中的復數(shù)模量和相位角，采用Park等[12]提出的近似方法來獲取時間域的松弛模量E(t).采用剪切模量的PRONY級數(shù)形式和WLF方程實現(xiàn)瀝青面層材料的時間依賴性和溫度依賴性.為了獲取上述常數(shù)，采用AASHTO 2002柔性路面設計指南中的S形函數(shù)來擬合松弛模量數(shù)據(jù)[13].選定參考溫度為20 ℃，擬合確定3種瀝青混合料的WLF方程參數(shù)、PRONY級數(shù)、彈性參數(shù)，分別如表1-3所示，其中基層、底基層及路基采用典型值.

表1 瀝青面層材料WLF方程參數(shù)(參考溫度20 ℃)

Table 1 WLF equation parameters of asphalt surface layer material(reference temperature is 20 ℃)

混合料類型WLF方程參數(shù)C1C2SMA-1310.44126.62AC-2011.85121.67AC-2517.73169.33

表2 瀝青面層材料PRONY級數(shù)(參考溫度20 ℃)

Table 2 PRONY series of asphalt surface layer(reference temperature is 20 ℃)

iSMA-13AC-20AC-250.0010.262500.300980.345060.0100.235610.206570.173690.1000.220330.222480.224911.0000.204570.193900.1818310.0000.034590.035150.03577100.0000.028800.027220.02543

表3 路面材料動彈特征參數(shù)

1.2 荷載模型

以固定位置的沖擊荷載作為路面簡化動荷載場，模擬分析行車荷載效應下瀝青路面動力響應.荷載形式采用單軸雙輪組垂直均布荷載，輪壓與接地面積隨軸載的增加逐漸增大，假定雙輪中心的間距保持不變，根據(jù)Heukelom和Klomp提出的輪載P與接地壓力p關系式

(1)

將不同超載率下的軸載換算為接地壓力，并由下式確定輪胎接地形狀的平面尺寸.

(2)

式中,Pi為換算軸載,P為標準軸載,pi和p分別為相應軸重的接地壓力,A為輪印面積,La為單輪長度,Lb為單輪寬度.

荷載集度變化參考Huang[14]在KENLAYER程序中的方法，荷載強度隨時間呈半正弦函數(shù)變化，具體荷載模型為

(3)

式中,Pmax為荷載強度峰值,t為動荷載作用時間；ω為動荷載作用頻率，

(4)

其中，v為車輛行駛速度，R為輪胎與地面的接地當量圓半徑.

在考慮水平推力影響時，荷載峰值大小為

a=φg

(5)

式中:a為水平力加速度;φ為水平力與垂直力比值系數(shù)，隨車輛行駛狀態(tài)的變化，通常取值為0.2、0.5;g為重力加速度.

1.3 計算模型

瀝青路面結構由上、中、下面層以及基層、底基層、路基組成，研究中考慮半剛性基層瀝青路面結構S1和柔性基層瀝青路面結構S2共2種典型結構，具體結構形式如表4所示.模型平面尺寸為10 m×10 m，取1/4模型進行計算分析.進行動力分析時，各結構層側面施加水平約束，對稱面施加對稱約束，路基底部施加豎向約束(z方向)，其中，橫向表示x方向，即垂直于行車方向,縱向表示y方向，即行車方向；豎向表示z方向，其負方向為路面厚度方向,計算模型如圖1所示.

表4 瀝青路面結構形式

圖1 路面結構計算模型

路面層間接觸狀態(tài)考慮完全連續(xù)狀態(tài)和不完全連續(xù)狀態(tài)，當考慮層間不完全連續(xù)的接觸模型時，設置4個接觸面，如圖2所示，其中路基與底基層為完全連續(xù)狀態(tài)，采用綁定連接，而其余各層的粘結情況通過摩擦系數(shù)μ來考慮，層間完全光滑時取0，層間一般粘結時取1。

圖2 路面結構接觸面示意圖

進行動力分析時，考慮路面結構阻尼對動力響應的影響，將路面結構阻尼比ξ1、ξ2設為0.05，根據(jù)路面結構模態(tài)分析，得到第1階和第2階自振頻率ω1和ω2，算出相應的Rayleigh阻尼比例系數(shù)α=3.776、β=6.56×10-4.

2 路面結構實際溫度場

以ABAQUS有限元分析軟件為計算平臺，借助用戶子程序FILM、DFLUX，在太陽輻射、路面有效輻射、氣溫及對流熱交換作用下，模擬周期性變溫條件下路面結構的溫度場[15-16].在已有的瀝青路面溫度場研究結果基礎之上，通過施加動載計算分析路面結構動力響應.針對表4中典型的結構S1、S2，以與外界直接接觸的上面層頂面溫度極值為依據(jù)，選取夏冬兩季一天內各具代表性的高低溫兩個時刻(t=6:00，t=14:00)的溫度場作為路面結構動力響應分析的典型溫度場，如表5所示.

表5 瀝青路面頂面溫度狀況

1)“數(shù)據(jù)1/數(shù)據(jù)2”表示對應的結構S1、S2的溫度，余同.

3 沖擊荷載作用下的動力響應分析

在分析動力響應結果時，計算點位選取輪印中心，提取整個時程曲線內的動力響應峰值作為分析對象.

3.1 荷載參數(shù)變化對路面結構動力響應的影響

在軸重影響分析中，動載頻率取21.74 s-1(對應行車速度為100 km/h)，軸重依次取60、100、140、180、220以及260 kN；在動載頻率分析中，軸重取100 kN，動載頻率依次為4.36、8.70、12.99、17.24、21.74以及26.32 s-1，相對應的行車速度分別為20、40、60、80、100以及120 km/h.

車輛行駛過程中存在水平推力作用，且加減速狀態(tài)不同，水平推力作用的方向也不同，由此引起的路面動力響應有別于僅考慮豎向荷載的情況.文中對路面所受水平荷載作如下假設：①車輛對路面施加豎向與水平綜合荷載作用，水平及豎向荷載在荷載接觸面上均呈均勻分布，且作用周期相同；②考慮車輛行駛狀態(tài)的改變，水平荷載大小可按式(5)計算，水平力系數(shù)正值表示其作用方向與行車方向一致，負值表示其作用方向與行車方向相反.在水平推力影響分析中，軸重取100 kN，荷載沖擊頻率取21.74 s-1.

在不同季節(jié)時溫條件下，各結構層層底拉應力隨軸重大小、動載頻率、水平力系數(shù)等荷載參數(shù)變化的規(guī)律如圖3-5所示.

1)隨著荷載軸重的增加，結構S1、S2各結構層層底拉應力響應峰值與荷載大小之間呈線性增長關系，變化速率與結構層及時溫狀況相關.

2)隨動載頻率的提高，荷載在計算點位的作用時間將逐步縮短，進而削弱動載效應在路面結構內部的擴散，最終影響路面結構的動力響應.表現(xiàn)為結構S1和S2其面層層底拉應力響應峰值與動載頻率之間呈先增后減的變化趨勢，而對基層層底應力幾乎無影響，變化速率也與結構層及時溫狀況相關.

圖3 軸重對各結構層層底拉應力的影響

Fig.3 Effect of axle load on the tensile stress at the bottom of each structure

圖4 動載頻率對各結構層層底拉應力的影響

Fig.4 Effect of dynamic load frequency on the tensile stress at the bottom of each structure

圖5 水平力對各結構層層底拉應力的影響

Fig.5 Effect of horizontal force on the tensile stress at the bottom of each structure

3)水平荷載僅對面層層底拉應力有影響，對基層層底拉應力基本不構成影響.面層在不同水平荷載情況下的拉應力響應均表現(xiàn)為：隨著車輛水平推力由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同，應力峰值呈線性增大，分析結果有力證明了當重載車輛在高速運行過程中緊急制動時，對路面面層結構受力極為不利.

4)對于面層層底：①在相同荷載參數(shù)作用下，面層層底拉應力在高溫時刻的響應峰值小于低溫時刻的響應峰值，且夏季小于冬季；冬季時溫改變對結構S1、S2的拉應力影響均不顯著，但夏季時溫改變對結構S1的拉應力影響顯著，對結構S2影響不顯著;②在相同荷載參數(shù)和時溫狀況作用下，結構S1面層所受拉應力小于結構S2.

5)對于基層層底：①結構S2基層層底在不同時溫所受拉應力均為負值，而結構S1均受正拉應力作用，因此在時溫與動載作用下，結構S1基層更容易產生受拉破壞，進一步證明半剛性基層在高寒大溫差地區(qū)的適用性受到嚴峻考驗，而柔性基層具有明顯優(yōu)勢；②與面層層底響應不同，相同荷載參數(shù)下的結構S1、S2基層層底應力在高溫時刻的響應峰值大于低溫時刻的響應峰值，且夏季大于冬季；時溫改變對應力影響的顯著性表現(xiàn)為夏季明顯大于冬季.

3.2 層間狀況對路面結構動力響應的影響

在層間狀況影響分析中，軸重取100 kN，動載頻率取21.74 s-1，不考慮水平荷載的影響.各結構層層底拉應力響應隨層間狀況和時溫變化的規(guī)律如圖6所示.

1)對于面層層底：隨著層間接觸狀態(tài)的改善，面層層底拉應力顯著減小，在高溫時刻的響應峰值小于低溫時刻的響應峰值，且夏季小于冬季.

Fig.6 Effect of influence of layer contact condition on the tensile stress at the bottom of each structure

2)對于基層層底：①連續(xù)模型中，結構S2基層層底在不同時溫所受拉應力均為負值，而在接觸模型中均為正值，但結構S1均受正拉應力作用;②與面層層底響應不同，結構S1基層層底拉應力隨著層間接觸狀態(tài)由一般粘結變?yōu)橥耆辰Y時變化不顯著，且結構S1、S2基層層底應力在高溫時刻的響應峰值大于低溫時刻的響應峰值，同時夏季大于冬季.

3)通過對連續(xù)模型和接觸模型在不同時溫條件下層底拉應力的變化對比可知：層間接觸狀態(tài)并不改變時溫狀況對瀝青路面結構動力響應的影響規(guī)律.

4 瀝青路面疲勞壽命分析

選取美國地瀝青協(xié)會瀝青混合料疲勞壽命預估模型[17]，提取有限元計算模型下面層層底所受ε應用于Nf，進行瀝青路面結構在不同軸重、動載頻率、層間狀態(tài)、溫度時刻作用下的疲勞壽命對比分析.

Nf=0.265 9×104.84×(VFA-0.69)×

(6)

式中，Nf為瀝青混合料的疲勞壽命，ε為彎拉應變，E*為動模量，VFA為瀝青飽和度.

計算參數(shù)分別為：取瀝青路面下面層層底拉應變?yōu)槠趶澙瓚?；通過松弛模量主曲線以及動模量和松弛模量的轉換關系來考慮溫度條件及動載作用時間對路面結構下面層材料屬性的影響，采用與溫度及行車速度相對應的動態(tài)模量；瀝青飽和度為67.2%.疲勞壽命結果如圖7所示.

圖7 不同瀝青路面結構疲勞壽命的對比

Fig.7 Comparison of fatigue life of different asphalt pavement structures

通過瀝青面層在夏季高溫時刻與冬季低溫時刻的疲勞壽命比值來定量評估時溫改變對瀝青層疲勞壽命的影響，結果如表6所示.

表6 不同工況下的瀝青層疲勞壽命比值

Table 6 Ratio of fatigue life of asphalt layer under different working conditions

荷載參數(shù)工況變化瀝青層疲勞壽命比值/%結構S1結構S2動載頻率21.74s-1軸重100kN軸重260kN1.632.024.514.92軸重100kN動載頻率4.36s-1動載頻率26.32s-13.060.996.113.45軸重100kN動載頻率21.74s-1水平力系數(shù)-0.51.544.33水平力系數(shù)0.51.744.59軸重100kN動載頻率21.74s-1層間狀態(tài)完全粘結1.634.51層間狀態(tài)完全光滑3.314.26

隨瀝青路面結構溫度狀況由低溫時刻變?yōu)楦邷貢r刻或由冬季變?yōu)橄募荆瑸r青層疲勞壽命會顯著降低；對比兩種路面結構疲勞壽命的大小，可知結構S1瀝青層在不同時溫下的疲勞壽命優(yōu)于結構S2，但其疲勞壽命隨溫度時刻改變而急劇波動，表明該結構對外界環(huán)境溫度變化適應性不好.

隨軸重增加、動載頻率降低、水平推力方向由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同以及層間狀態(tài)惡化，瀝青層疲勞壽命均逐漸降低，說明車輛超載行駛、低速行駛、緊急剎車及層間粘結不良等因素均會對瀝青面層使用壽命造成不利影響，這些因素也是引起瀝青路面早期疲勞開裂的重要原因之一.

由表6可知，不同因素作用下，季節(jié)時溫變化對瀝青層疲勞壽命的影響趨勢存在差異.當動載頻率增大或水平推力方向由“反向”變“正向”時，路面時溫變化對結構S1、S2的瀝青層疲勞壽命影響均逐漸增大，可當軸重增加時，時溫變化對疲勞壽命的影響則逐漸減??；但當層間接觸狀態(tài)由完全粘結變?yōu)橥耆饣瑫r，時溫變化對結構S1瀝青層疲勞壽命的影響有所增大，而對結構S2的影響有所降低.

在溫度與動載耦合作用下，季節(jié)時溫變化對瀝青層疲勞壽命大小波動的影響程度表現(xiàn)為：結構S2<結構S1，因此柔性基層瀝青路面結構在溫荷耦合作用下，季節(jié)時溫變化對其疲勞壽命大小波動影響較小，表現(xiàn)出具有更好的環(huán)境適應性.

5 結論

文中從瀝青混合料動態(tài)模量試驗出發(fā)，擬合黏彈參數(shù)，模擬路面在溫度與行車動荷載耦合作用下的力學響應，分析各因素對路面動力響應的影響規(guī)律，結果表明：

1)隨著軸重增加，面層及基層層底拉應力響應峰值線性增大；隨動載頻率增大，面層層底拉應力響應峰值先增后減，基層層底拉應力則幾乎無變化；水平荷載僅對面層層底拉應力有影響；隨著層間狀態(tài)的改善，其拉應力響應峰值呈相似減小關系，且層間狀態(tài)并不改變季節(jié)時溫狀況對路面結構響應的影響規(guī)律.

2)在一定荷載參數(shù)或層間狀況條件下，冬季瀝青路面溫度分布的變化對各結構層拉應力的影響不顯著，而夏季影響顯著；面層層底拉應力響應峰值均表現(xiàn)為高溫時刻小于低溫時刻，夏季小于冬季，基層層底拉應力響應峰值則表現(xiàn)為相反的變化規(guī)律.

3)隨路面溫度由低溫時刻變?yōu)楦邷貢r刻、軸重的增加、動載頻率的降低、水平推力方向由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同以及層間狀態(tài)惡化，瀝青層疲勞壽命均逐漸降低.

4)半剛性結構S1瀝青層在不同時溫下的疲勞壽命雖優(yōu)于柔性結構S2，但在服役過程中，其疲勞壽命存在隨溫度時刻改變而急劇波動的不穩(wěn)定性，且結構S1基層更容易產生受拉破壞；相反，柔性基層瀝青路面結構在服役過程中其疲勞壽命受不同時刻溫荷耦合作用的波動小，表現(xiàn)出更好的環(huán)境適應性及性能穩(wěn)定性.

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[17] AI.Research and development of the asphalt institute is thickness design manual(MS-1)[R].9th ed. [S.l.]:Asphalt Institute,1982.

Dynamic Performance Analysis of Asphalt Pavement Under Moving Vehicle Load and Seasonal Temperature Variation

AIChang-fa1,2HUANGDa-qiang2,3YUXiao-li1,2RENDong-ya1,2QIUYan-jun1,2

(1.Civil Engineering School, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China;2. Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031, Sichuan, China;3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China)

In order to reveal the effect of seasonal temperature variation in the areas with large temperature difference on the performance of asphalt pavement, this paper takes into consideration the time-temperature viscoelasticity of asphalt concrete, and performs numerical simulations to analyze the dynamic behavior and performance under moving vehicle load and seasonal temperature variation for two kinds of typical asphalt pavement structures. One is the structure with a semi-rigid base layer containing cement-stabilized macadam (structure S1) and the other with a flexible base layer containing graded aggregate materials (structure S2). The results show that (1) with the increase of axle load, the decrease of dynamic load frequency, the change of horizontal thrust direction from the opposite to the same direction of the moving vehicle, or with the deterioration of interlayer conditions, the stress at the bottom of the asphalt layer generally increases, while the fatigue life gradually decreases; (2) the variation of pavement temperature distribution significantly influences the tensile stress of each structural layer in summer but slightly influences the stress in winter; (3) at the bottom of the surface layer, the tensile stress in summer or at high temperature is less than that in winter or at low temperature, while the base layer shows an opposite trend in this regard; and (4) although the fatigue lifetime of the asphalt layer of structure S1 under various age and temperature conditions is longer than that of structure S2, it has a deficiency of drastic fluctuation, while S2 has a relative stable fatigue behavior and a superior environmental adaptability.

asphalt pavement; temperature load; vehicle dynamic load; coupling; dynamic behavior; fatigue property

2016-06-27

國家自然科學基金資助項目(51378438);西南交通大學中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(SWJTU12ZT05) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51378438)

艾長發(fā)(1975-),男，博士，副教授，主要從事路面結構與材料研究.E-mail：cfai@home.swjtu.edu.cn

? 通信作者: 黃大強(1991-),男，助理工程師，主要從事路面結構與材料研究.E-mail：835701139@qq.com

1000-565X(2017)04-0066-08

U 414

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.010