瀝青道面坑槽修補(bǔ)界面力學(xué)行為分析

李煒光，連 城，陳金章，湯 豆，梁 鵬(.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 7006； .長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 7006；.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 70075； .廣東省江門(mén)市國(guó)土規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)局，廣東 江門(mén) 5900 )

?

瀝青道面坑槽修補(bǔ)界面力學(xué)行為分析

李煒光1，連 城2，陳金章3，湯 豆4，梁 鵬1
(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075； 4.廣東省江門(mén)市國(guó)土規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)局，廣東 江門(mén) 529040 )

針對(duì)瀝青道面坑槽修補(bǔ)后耐久性差及界面、角隅處很快出現(xiàn)二次破壞等問(wèn)題，借助ABAQUS有限元軟件，建立瀝青道面坑槽修補(bǔ)三維有限元模型確定最不利荷位；然后從修補(bǔ)深度、水平荷載系數(shù)及軸載等角度對(duì)修補(bǔ)后的瀝青道面坑槽界面處的正應(yīng)力及剪應(yīng)力進(jìn)行分析。結(jié)果表明：坑槽角隅處為最不利荷位；修補(bǔ)深度越小，坑槽板塊越容易發(fā)生擠壓破壞；隨著水平載荷的增加，界面處合成剪應(yīng)力急劇增加，尤其是在緊急制動(dòng)時(shí)，其合成剪應(yīng)力將增加1.2倍以上；軸載大小與界面應(yīng)力呈線性相關(guān)，輪壓每增加0.1 MPa，界面壓應(yīng)力增大14.3%，合成剪應(yīng)力增大20.2%。

瀝青路面；坑槽；二次破壞；界面

0 引 言

隨著交通量的快速增長(zhǎng)及重載車(chē)輛的不斷增多，瀝青道面在環(huán)境和重載的耦合作用下很快會(huì)出現(xiàn)一些損壞，車(chē)輛荷載繼續(xù)作用會(huì)使其逐漸形成坑槽。尤其是雨天過(guò)后，水分及車(chē)輛動(dòng)荷載的共同作用，使坑槽在深度及廣度方面迅速發(fā)展，對(duì)道面使用性能及通行能力產(chǎn)生巨大影響[1]。為了恢復(fù)道面的使用性能，通常采用修補(bǔ)料對(duì)坑槽進(jìn)行修補(bǔ)，但是在進(jìn)行坑槽修補(bǔ)時(shí)，很少關(guān)注其受力性能，導(dǎo)致道面很快出現(xiàn)二次破壞。大多數(shù)二次破壞發(fā)生在坑槽與原有道面的界面處，即界面處結(jié)合的優(yōu)劣程度是影響瀝青道面及其坑槽修補(bǔ)后使用效果和使用壽命的關(guān)鍵因素之一，若界面處結(jié)合不好，就會(huì)削弱坑槽與原有道面的整體性，降低道面結(jié)構(gòu)的整體抗力，在車(chē)輛加速、減速或制動(dòng)時(shí)，極易發(fā)生剪切和擠壓疲勞破壞。為了使坑槽修補(bǔ)后的道面具有良好的結(jié)構(gòu)承載力及耐久性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)坑槽界面處處治技術(shù)的研究[2]。但是，目前對(duì)于坑槽界面的處理尚缺乏成熟的力學(xué)理論依據(jù)。基于此，本文采用有限元軟件ABAQUS，以半剛性基層瀝青道面為研究對(duì)象，將材料、力學(xué)參數(shù)引入到結(jié)構(gòu)模型中，研究修補(bǔ)深度、超載及水平荷載對(duì)瀝青道面坑槽界面處力學(xué)響應(yīng)的影響，為坑槽修補(bǔ)區(qū)域的耐久性研究提供力學(xué)基礎(chǔ)。

1 瀝青道面坑槽修補(bǔ)三維有限元模型

1.1 道面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

本文的主要目的是分析瀝青道面經(jīng)修補(bǔ)后坑槽界面處的力學(xué)響應(yīng)，所以選定通用的典型道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析。假定道面各層材料均為線彈性，主要采用彈性模量E和泊松比μ來(lái)表征其力學(xué)性質(zhì)，道面結(jié)構(gòu)形式與材料參數(shù)如表1所示。本文選取的修補(bǔ)材料參數(shù)為E=5 000 MPa，μ=0.25。

表1 道面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

1.2 模型幾何尺寸及荷載布設(shè)

在進(jìn)行道面結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算之前，首先要確定其模型及幾何尺寸。本文所采用的道面模型尺寸為4 m×3 m×4 m(x×y×z)，其中x為道面橫向，y為道面深度方向，z為汽車(chē)行車(chē)方向。在進(jìn)行模型處理的過(guò)程中，模型所設(shè)的邊界條件為：沿行車(chē)方向兩側(cè)無(wú)z向位移，垂直于行車(chē)方向兩側(cè)無(wú)x向位移，沿路基一定深度的底面為固定面，各結(jié)構(gòu)層層間處于完全連續(xù)接觸狀態(tài)[3]。

汽車(chē)行駛在道面上時(shí)，其輪載是通過(guò)輪胎胎面?zhèn)鬟f到道面表層的，因此對(duì)輪胎與道面表層間的接觸形式以及接觸面上載荷的分布形式進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)定，是精確分析道面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵。在以往的道面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算中，輪載分布形式通常被簡(jiǎn)化為雙圓垂直均布荷載；而實(shí)際上輪胎與道面間的相互作用是十分復(fù)雜的，其接觸面的輪廓隨著輪載的不斷增加愈發(fā)接近矩形。因此，本文將其接觸面簡(jiǎn)化為雙矩形垂直均布荷載，即將車(chē)輪荷載簡(jiǎn)化為分布于19.2 cm×18.6 cm的雙矩形面積上的均布荷載，矩形中心距為31.4 cm。由于在實(shí)際坑槽修補(bǔ)過(guò)程中要對(duì)坑槽底部及側(cè)面涂抹界面劑來(lái)保證其與原有路面的整體性，所以在進(jìn)行相互作用模擬時(shí)，接觸屬性設(shè)為tie。坑槽作為本文分析研究的主體，其模型尺寸為1 m×0.15 m×1 m(x×y×z)，坑槽三維模型如圖1所示。

圖1 坑槽三維模型

采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，單元網(wǎng)格的劃分尺寸及形式對(duì)計(jì)算結(jié)果有非常大的影響，本文充分考慮了道面結(jié)構(gòu)的受力特性，同時(shí)兼顧節(jié)省計(jì)算時(shí)間，最終采用了非均勻的網(wǎng)格劃分形式，從土基到面層及從側(cè)面到坑槽中心的網(wǎng)格劃分逐漸變密。單元采用C3D8R(三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元)，網(wǎng)格劃分模型如圖2所示[4]。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 最不利荷位判斷

最不利荷位是指坑槽修補(bǔ)面中最容易發(fā)生破壞的位置。本文探究了不同荷位下坑槽界面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以此確定最不利荷位。正常行駛的車(chē)輛不可能每次都作用在坑槽中心處，為了更好地模擬車(chē)輛荷載對(duì)瀝青道面坑槽的作用，分別分析了6種輪載作用位置：工況1(荷載作用在坑槽中心)、工況2(荷載作用在坑槽縱向界面內(nèi)側(cè)中心)、工況3(荷載輪隙中心與坑槽縱向界面中心重合)、工況4(荷載作用在坑槽縱向界面外側(cè)中心)、工況5(荷載作用在坑槽橫向界面內(nèi)側(cè)中心)和工況6(荷載作用在坑槽角隅)，如圖3所示[5]。

圖3 不同工況下荷載作用位置

首先，對(duì)坑槽界面正應(yīng)力σx進(jìn)行分析。其中，對(duì)工況1～4分別分析坑槽縱向界面正應(yīng)力σx，對(duì)工況5分析坑槽橫向界面正應(yīng)力σz，對(duì)工況6分別分析坑槽縱向界面正應(yīng)力σx和橫向界面正應(yīng)力σz。分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況下坑槽界面正應(yīng)力 kPa

從表2可以看出，工況2、4、5、6均產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在工況6，且工況6在縱橫界面處均產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。所以，從正應(yīng)力角度來(lái)看，工況6較其他工況在界面處更容易發(fā)生擠壓破壞。

其次，對(duì)坑槽界面剪應(yīng)力進(jìn)行分析。對(duì)工況1～4分別分析坑槽縱向界面剪應(yīng)力τxy、τxz；對(duì)工況5分析坑槽橫向界面剪應(yīng)力τzx、τzy；對(duì)工況6分別分析坑槽縱向界面處剪應(yīng)力τxy、τxz和橫向界面處剪應(yīng)力τzx、τyz，其中τxz和τzx相等。分析結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，縱向及橫向界面剪應(yīng)力τxz較小，最大為工況4和工況6，大小為80 kPa。對(duì)縱向界面剪應(yīng)力τxy在各種工況下的大小進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工況2、4、6有較大剪應(yīng)力，其中工況4最大為196.4 kPa，工況6為181.15 kPa。橫向界面剪應(yīng)力τzy在工況6下最大，大小為170.2 kPa。綜合考慮后，其不利狀況依次為工況6、工況4、工況2、工況5、工況3、工況1。所以，根據(jù)對(duì)坑槽界面處的正應(yīng)力及剪應(yīng)力的分析，最終確定其最不利位置為工況6，即坑槽角隅處。

表3 不同工況下坑槽界面剪應(yīng)力 kPa

2.2 修補(bǔ)深度對(duì)坑槽界面應(yīng)力的影響

病害程度不同，修補(bǔ)深度也有所不同：當(dāng)瀝青道面僅出現(xiàn)小而淺的微小剝落或松散時(shí)，修補(bǔ)上面層即可；當(dāng)瀝青道面出現(xiàn)較深的坑洞，影響到中面層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)，就要對(duì)上中面層進(jìn)行修補(bǔ)；當(dāng)坑槽破損貫穿整個(gè)瀝青道面面層時(shí)，需對(duì)面層全部進(jìn)行修補(bǔ)[6-8]。

根據(jù)病害程度確定坑槽深度分別為4、9、15 cm，進(jìn)行不同修補(bǔ)深度下的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力分析。界面處σx、σz、τxy、τxz和τzy的最大值如表4和圖4、5所示。

表4 不同修補(bǔ)深度下界面最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力 kPa

圖4 不同修補(bǔ)深度下界面最大正應(yīng)力

圖5 不同修補(bǔ)深度下界面最大剪應(yīng)力

從表4及圖4、5可以看出：隨著修補(bǔ)深度的增加，τxy有略微增大；τz增長(zhǎng)幅度較大，但由于其本身較小，因而對(duì)剪應(yīng)力的影響有限；τzy先增大后減小，在9 cm附近有一個(gè)最大值；σx和σz則有所減小，其中σx減小幅度較大，說(shuō)明隨著修補(bǔ)深度的減小，坑槽更容易出現(xiàn)擠壓破壞[9-11]。綜合分析可以看出，修補(bǔ)深度較淺時(shí)，坑槽更容易發(fā)生破壞。

2.3水平荷載對(duì)坑槽界面應(yīng)力的影響

在道面上行駛的車(chē)輛會(huì)對(duì)道面產(chǎn)生豎向和水平2個(gè)方向的作用力。通常情況下，勻速行駛在道面上的車(chē)輛，其輪胎對(duì)道面產(chǎn)生的水平力由式(1)確定；制動(dòng)或加減速的車(chē)輛對(duì)道面產(chǎn)生的水平力由式(2)確定。

式中：F1、F2為勻速行駛以及制動(dòng)、加速或減速情況下作用在道面上的水平荷載；λ為輪胎與道面間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；φ為輪胎與道面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；P為標(biāo)準(zhǔn)軸載。

摩擦系數(shù)λ與φ的大小主要由道面的結(jié)構(gòu)形式、道路表層狀態(tài)、車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)情況、輪胎的花紋形式及其磨損程度決定[12-13]。勻速行駛的車(chē)輛在道面上僅產(chǎn)生滾動(dòng)摩阻力，其大小為豎向力的1%～2%，也就是說(shuō)水泥混凝土或?yàn)r青混凝土道面的λ值一般情況下僅為0.01～0.02，通常在分析及計(jì)算過(guò)程中忽略不計(jì)。但是，制動(dòng)或加減速的車(chē)輛將在道面上產(chǎn)生滑動(dòng)摩阻力，其水平力會(huì)非常大[14]。在公交?？空尽⒌缆方徊媛房诘?，由于車(chē)輛的緩慢制動(dòng)，輪胎與道面之間將產(chǎn)生0.2P的滑動(dòng)摩阻力；在車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)，其滑動(dòng)摩擦系數(shù)甚至?xí)_(dá)到0.5左右。因此，本文對(duì)φ為0、0.2、0.4及0.6時(shí)坑槽界面剪應(yīng)力的變化進(jìn)行分析。水平荷載作用方向?yàn)閱蜗颍貁軸為正向。選取的分析指標(biāo)是縱向界面應(yīng)力σx、τxy和τxz，橫向界面應(yīng)力σz、τzx和τzy及槽底界面應(yīng)力τyz和τyx的最大值如表5和圖6、7所示。

從表5及圖6、7可以看出，隨著水平荷載的增加，各界面的正應(yīng)力及剪應(yīng)力均有所增加。水平荷載系數(shù)每增加0.1，σx、τxy、τxz、σz、τzx、τzy、τyz、τyx分別增加0.7%、3.6%、23.2%、8.4%、23.2%、11.7%、5.7%、4.7%。受水平荷載影響最大的為τxz、σz和τzy，其次是τxy、τyx和τyz，而σx受水平荷載影響很小。由此可知：在交叉口、停車(chē)站等緩慢制動(dòng)處，坑槽縱橫界面處的合成剪應(yīng)力將增加50%左右，壓應(yīng)力將增加16.8%左右；在緊急制動(dòng)時(shí)，坑槽縱橫界面處的合成剪應(yīng)力增加120%左右，壓應(yīng)力增加40%左右。也就是說(shuō)，隨著水平荷載的增加，坑槽界面處剪應(yīng)力和壓應(yīng)力會(huì)急劇增加，極易發(fā)生剪切及擠壓疲勞破壞。

表5 不同水平荷載下界面最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力 kPa

圖7 不同水平荷載下界面最大剪應(yīng)力

2.4 重載對(duì)坑槽界面應(yīng)力的影響

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重載車(chē)輛迅速增多，對(duì)瀝青路面的使用性能非常不利。為了研究重載車(chē)輛對(duì)瀝青道面坑槽的影響，本文分別對(duì)輪壓為0.7～1.2 MPa時(shí)坑槽界面處的正應(yīng)力及剪應(yīng)力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表6 及圖8、9所示[10]。

從表6及圖8、9可以看出，隨著輪壓的增大，瀝青路面坑槽界面處的最大正應(yīng)力及剪應(yīng)力基本呈線性增長(zhǎng)。輪壓每增加0.1 MPa，σx、τxy、τxz、σz、τzx、τzy均增加14.3%，其合成剪應(yīng)力增加20.2%。由此可見(jiàn)，假定重載或超載情況下輪壓為1.0 MPa，那么車(chē)輛在坑槽界面處產(chǎn)生的正應(yīng)力及剪應(yīng)力將會(huì)是標(biāo)準(zhǔn)軸載的1.5倍以上，這將會(huì)大大縮短瀝青道面坑槽的荷載疲勞壽命。

表6 不同輪載下界面最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力 kPa

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)半剛性基層瀝青路面坑槽在不同修補(bǔ)深度、水平荷載及軸載下界面處的正應(yīng)力及剪應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論。

(1)通過(guò)對(duì)瀝青路面坑槽在不同荷位下的界面正應(yīng)力及剪應(yīng)力進(jìn)行分析，得出坑槽角隅處為最不利荷位。

(2)隨著修補(bǔ)深度的增加，坑槽界面處的剪應(yīng)力有微小增加，但壓應(yīng)力減幅較大，說(shuō)明較小的坑槽修補(bǔ)深度更易引發(fā)擠壓破壞。

(3)隨著水平荷載系數(shù)的增加，坑槽界面處的正應(yīng)力及剪應(yīng)力均有所增加，特別是在汽車(chē)緊急制動(dòng)情況下，坑槽界面合成剪應(yīng)力將增加1倍以上。

(4)隨著軸載的增大，坑槽界面處的最大正應(yīng)力及剪應(yīng)力均呈線性增加，荷載每增加0.1 MPa，壓應(yīng)力增大14.3%，合成剪應(yīng)力增大20.2%。

[1] 申愛(ài)琴.路面坑槽形成原因的力學(xué)分析[J].西安公路學(xué)院學(xué)報(bào)，1995,15(1)：12-15.

[2] 茅 荃.瀝青混凝土路面坑槽修補(bǔ)技術(shù)研究[J].公路，2004(10)：158-163.

[3] GRENMAN H,INGVES M,CORANDERJ,et al.Common Potholes in Modeling Solid-liquid Reactions-methods for Avoiding Them Original Research Article[J].Chemical Engineering Science,2011,66(20):4459-4467.

[4] KOCH C,BRILAKIS I.Pothole Detection in Asphalt Pavement Images Original Research Article[J].Advanced Engineering Informatics,2011,25(3):507-515.

[5] 李煒光，經(jīng)冠舉，田智仁.基于不同工藝瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)受力分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2013,37(1):19-22.

[6] 高 菲，魏連雨，馬士賓.基于有限元的瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,41(2)：92-100

[7] 張 倩，李 澤，溫志廣.考慮摩擦接觸的瀝青路面坑槽補(bǔ)縫處力學(xué)響應(yīng)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2015,39(3)：510-514.

[8] 劉 麗.瀝青路面層間處治技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009.

[9] 鄭傳超.輪胎接觸壓力對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004,24(1)：12-16.

[10] 趙秀玲,王天鶴.水泥路面坑槽修補(bǔ)的力學(xué)分析與修補(bǔ)方案[J].吉林交通科技,2011(1):25-29.

[11] 田耀剛,延麗麗,陳長(zhǎng)征,等.材料模量對(duì)瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(11):58-62.

[12] 延麗麗.基于ANSYS的瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)仿真分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2012.

[13] 徐光紅,黃 曼.瀝青路面坑槽修補(bǔ)界面早期破損原因分析[J].公路交通技術(shù),2009(S1):46-48.

[14] 張道偉.瀝青路面坑槽破壞類型及修補(bǔ)機(jī)理分析[J].華東公路,2011(5):49-52.

[責(zé)任編輯:王玉玲]

Analysis on Mechanical Behaviour of Pothole Repair Interface of Asphalt Pavement

LI Wei-guang1, LIAN Cheng2, CHEN Jin-zhang3, TANG Dou4, LIANG Peng1
(1. School of Highway,Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi,China; 3. ZHONGJIAOTONGLI Construction Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 4. Jiangmen Land Planning and Environmental Protection Agency of Guangdong Province,Jiangmen 529040, Guangdong,China)

Aimed at the poor durability of asphalt pavement after pothole repair and premature secondary damage showing at the interface and the corner, the finite element software ABAQUS was used to establish the three-dimensional finite element model of the pothole repair so as to locate the unfavourable loading position. The normal stress and shear stress at the interface of the repaired pavement were analyzed from the aspects of repair depth, horizontal load factor and axle load. The results show that the corner of the pothole is the most unfavorable loading position; the smaller the repair depth, the more prone to crushing; with the increase of horizontal load, the shear stress at the interface increases abruptly, and especially when the emergency braking is performed, the combined shear stress will increase by more than 1.2 times; the axial load is linearly related to the interfacial stress, with the interfacial compressive stress increasing by 14.3% and the combined shear stress increasing by 20.2% for an increment of 0.1 MPa in tire pressure.

asphalt pavement; pothole; secondary damage; interface

1000-033X(2017)06-0041-06

2017-01-12

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技基金資助項(xiàng)目(2013318J09230)；河南省交通運(yùn)輸廳科技基金資助項(xiàng)目(2012D11)

李煒光(1971-)，男，山西長(zhǎng)治人，博士，教授，研究方向?yàn)樾滦偷缆方ㄖ牧稀?/p>

U418.8

B