基-面層間不同接觸狀態(tài)下瀝青路面結(jié)構(gòu)受力分析

賈欣悅，張敏江

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168)

0 引言

針對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料基層瀝青路面在實(shí)際使用中出現(xiàn)的層間滑移，以及過早出現(xiàn)路面疲勞開裂等問題，人們多在瀝青混合料面層與無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料基層之間實(shí)施橡膠瀝青碎石封層、乳化瀝青碎石封層等下封層技術(shù)，以此來加強(qiáng)層間連接。但目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)在于各類下封層材料性能與其結(jié)構(gòu)組合方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)，研究不同下封層材料的抗剪切性能，卻很少根據(jù)常用的封層類型所對(duì)應(yīng)的層間摩擦系數(shù)來具體地模擬基面層間的實(shí)際接觸狀態(tài)，從而分析得出動(dòng)態(tài)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)在不同層間接觸狀態(tài)下層間的力學(xué)響應(yīng)。

先通過層間連接性能試驗(yàn)得到橡膠瀝青碎石下封層及透層+粘層的層間摩擦系數(shù)，再以兩種層間處治技術(shù)的層間摩擦系數(shù)表示兩種不同的層間連接狀態(tài)，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立瀝青路面接觸模型，使用FORTRAN語言編寫VDLOAD(豎向壓力)用戶子程序來實(shí)現(xiàn)模型中汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。分析應(yīng)用橡膠瀝青碎石下封層和透層+粘層兩種層間處治狀態(tài)下不同的層間摩擦系數(shù)對(duì)瀝青路面基-面層間剪應(yīng)力及拉應(yīng)力的影響，由此判斷摩擦系數(shù)相對(duì)較大的層間處治技術(shù)對(duì)于提升層間連接性能以及抗疲勞開裂所起到的效果。

1 不同層間處治技術(shù)連接性能試驗(yàn)

層間連接性能試驗(yàn)利用J100-1型巖石直剪儀進(jìn)行，試驗(yàn)過程中首先需要對(duì)試件依次施加5組不同的豎向荷載(控制直剪儀豎向油壓表的讀數(shù)分別為0MPa、4MPa、8MPa、12MPa、16MPa)，然后逐漸增大水平荷載。加載速率的選用與瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)的相同，即50mm/min。隨著水平荷載的增加，當(dāng)剪切面達(dá)到最大剪切強(qiáng)度時(shí)，試件會(huì)沿著剪切面發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)試件破壞時(shí)直接剪切儀的垂直壓力表讀數(shù)和水平壓力表讀數(shù)畫出剪應(yīng)力(τ)和正應(yīng)力(σ)的關(guān)系曲線，并用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，計(jì)算出材料的摩擦系數(shù)φ，見表1。

表1 基面層間不同層間處治技術(shù)的摩擦系數(shù)φ

2 有限元分析模型的建立

2.1 車輪荷載的簡化與施加

(1)荷載接觸區(qū)域的簡化

汽車荷載是通過輪胎胎面?zhèn)鬟f給相接觸的路面，輪胎接地形狀與輪胎的胎壓和花紋相關(guān)，其不完全是圓形而是更大程度上表現(xiàn)為矩形(圖1)?，F(xiàn)研究表明，采用矩形荷載輪胎接地形狀比圓形更為合理，故采用矩形為輪胎與路面的接觸形狀[1]。確定加載面為 16.667cm×21.3cm、兩加載面間距為31.95cm[2](圖2)。

圖1 子午線輪胎印記

圖2 雙矩形荷載形式

(2)荷載的施加

隨著車輛行駛速度的提高以及車輛軸載的增大，車輛在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下由于振動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊荷載和慣性荷載會(huì)大幅提高。若依然使用靜載則無法正確反映路面的實(shí)際受力情況，無法解釋動(dòng)態(tài)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種現(xiàn)象[3]。為了產(chǎn)生動(dòng)態(tài)荷載，用FORTRAN語言編寫了 VDLOAD(豎向壓力)用戶子程序并在路面上設(shè)置荷載移動(dòng)帶，在路表面荷載作用區(qū)域作用豎向壓力為0.7MPa，移動(dòng)帶橫向的寬度53.25cm，將荷載移動(dòng)帶細(xì)分成許多小矩形，沿Z軸負(fù)向?yàn)樾熊嚪较?圖3)。

圖3 荷載帶分布圖

2.2 模型尺寸及單元?jiǎng)澐?/h3>

在進(jìn)行有限元計(jì)算前，需先選定模型的幾何尺寸。在分析路面結(jié)構(gòu)時(shí)，一般假定路面各結(jié)構(gòu)層為平面無限大的彈性層，路基為彈性半空間體。為保證有限元計(jì)算的精度，同時(shí)又不過多增加計(jì)算量，將模型的幾何尺寸設(shè)為高(Y)3m、長(Z)6m、寬(X)6m(圖4)。

采用有限元法計(jì)算時(shí)，不同的單元網(wǎng)格劃分方式對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響，直接影響結(jié)果的收斂速度及準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分過粗或過密，計(jì)算結(jié)果可能導(dǎo)致不能滿足精度要求或使計(jì)算工作量增加，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用非均勻的網(wǎng)格劃分方法，面層劃分較細(xì)，基層和底基層及路基劃分較粗，行車方向按小矩形長度進(jìn)行劃分，采用三維八結(jié)點(diǎn)縮減積分單元(C3D8)[4](圖5)。

圖4 有限元模型

圖5 模型網(wǎng)格劃分

2.3 瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

在采用多層彈性體系理論方法進(jìn)行理論分析時(shí)，采用改變層間摩擦系數(shù)來改變層間的連接狀況，故將面層和基層的分界面看成是一個(gè)無限薄的內(nèi)層，根據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)二級(jí)公路的推薦路面結(jié)構(gòu)方案，確定計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)層組合、厚度及材料參數(shù)，見表2。

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 勻速動(dòng)態(tài)荷載作用下基-面層間受力分析

3.1 分析指標(biāo)的確定

由于基-面層間處置不佳引起的路面病害的主要形式有疲勞開裂和滑移等，而利用有限元計(jì)算可以得到多種指標(biāo)，每種指標(biāo)對(duì)應(yīng)著不同的層間損壞形式，因此根據(jù)已有的研究成果[5]并針對(duì)基-面層間的破壞形式，將所研究的有限元計(jì)算輸出指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的路面破壞形式匯總，見表3。

表3 力學(xué)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)的路面破壞形式

3.2 橫向及縱向?qū)娱g剪應(yīng)力力學(xué)響應(yīng)分析

荷載移動(dòng)過程中，橫、縱向?qū)娱g剪應(yīng)力取最大值時(shí)層間剪應(yīng)力云圖如圖6、圖7。

圖6 基-面層間縱向?qū)娱g剪應(yīng)力云圖

圖7 基-面層間橫向?qū)娱g剪應(yīng)力云圖

由圖6可知，路面在勻速動(dòng)態(tài)荷載作用下，基-面層間的縱向?qū)娱g剪應(yīng)力主要分布在荷載作用的正下方，縱向?qū)娱g剪應(yīng)力最大值位于行車方向荷載作用區(qū)域的前后邊緣處，前后邊緣縱向?qū)娱g剪應(yīng)力分別與行車方向相反和相同，且后者大于前者。由圖7分析可知，橫向?qū)娱g剪應(yīng)力同樣主要分布在荷載作用正下方，其最大值位于左右兩側(cè)荷載作用區(qū)域邊緣處，且剪應(yīng)力值大小相近，方向相反。

根據(jù)圖6及圖7的分析結(jié)果，故選取荷載作用區(qū)域處的Node3590及Node328作為計(jì)算點(diǎn)位，分析縱向及橫向?qū)娱g剪應(yīng)力在荷載運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化情況(圖8、圖9)。

圖8 周期時(shí)間內(nèi)縱向?qū)娱g剪應(yīng)力變化情況

圖9 周期時(shí)間內(nèi)橫向?qū)娱g剪應(yīng)力變化情況

由圖8分析可知，隨著行車荷載在0.1s的周期內(nèi)變化，選取的計(jì)算點(diǎn)位在兩種不同的層間接觸狀態(tài)下縱向?qū)娱g剪應(yīng)力變化規(guī)律相似，縱向?qū)娱g剪應(yīng)力由零開始逐漸達(dá)到行車反向的最大值后又達(dá)到行車正向的最大值，最后再逐漸減小趨于零，且無論是正向還是反向的縱向?qū)娱g剪應(yīng)力，在施加橡膠瀝青碎石封層狀態(tài)下剪應(yīng)力均小于在施加透層+粘層狀態(tài)下的剪應(yīng)力，所以摩擦系數(shù)較大的層間處治技術(shù)有助于提升基-面層間的連接性能。

由圖9分析可知，隨著行車荷載在0.1s的周期內(nèi)變化，選取的計(jì)算點(diǎn)位在兩種不同的層間接觸狀態(tài)下橫向?qū)娱g剪應(yīng)力變化規(guī)律相似。橫向?qū)娱g剪應(yīng)力從零開始，在趨于計(jì)算點(diǎn)位過程中經(jīng)歷小范圍正負(fù)波動(dòng)后，在選取點(diǎn)位附近出現(xiàn)最大正負(fù)橫向?qū)娱g剪應(yīng)力的波動(dòng)，但無論是正負(fù)橫向?qū)娱g剪應(yīng)力，在施加橡膠瀝青碎石封層狀態(tài)下的剪應(yīng)力均小于在施加透層+粘層狀態(tài)下的剪應(yīng)力，所以再次印證了較大層間摩擦系數(shù)有效提高了基-面層間的連接性能。

3.3 橫向及縱向?qū)娱g拉應(yīng)力力學(xué)響應(yīng)分析

荷載移動(dòng)過程中，橫、縱向?qū)娱g拉應(yīng)力取最大值時(shí)層間拉應(yīng)力云圖如圖10、圖11。

圖10 基-面層間橫向水平拉應(yīng)力云圖

圖11 基-面層間縱向水平拉應(yīng)力云圖

由圖10及圖11可知，路面在勻速荷載作用下，輪跡下方主要存在壓應(yīng)力，而拉應(yīng)力主要存在于輪隙中間，故選取輪隙中間處的Node3629作為計(jì)算點(diǎn)位并分析縱向及橫向?qū)娱g拉應(yīng)力在荷載運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化情況(圖12、圖13)。

圖12 周期時(shí)間內(nèi)橫向?qū)娱g拉應(yīng)力變化情況

圖13 周期時(shí)間內(nèi)縱向?qū)娱g拉應(yīng)力變化情況

由圖12及圖13可知，隨著行車荷載在0.1s的周期內(nèi)變化，選取的計(jì)算點(diǎn)位在兩種不同的層間接觸狀態(tài)下橫縱向?qū)娱g拉應(yīng)力變化規(guī)律相似，呈波動(dòng)狀。計(jì)算點(diǎn)位的層間應(yīng)力從零開始逐漸增大并呈受壓狀態(tài)，隨著行車荷載駛近計(jì)算點(diǎn)位，應(yīng)力狀態(tài)由受壓逐漸變成受拉，并在計(jì)算點(diǎn)位處達(dá)到最大的層間拉應(yīng)力。且無論是橫向還是縱向?qū)娱g拉應(yīng)力，在施加橡膠瀝青碎石封層狀態(tài)下的拉應(yīng)力均小于在施加透層+粘層狀態(tài)下的拉應(yīng)力，所以較大摩擦系數(shù)下的層間處治技術(shù)有助于提升抗疲勞開裂的效果。

4 結(jié)束語

利用有限元軟件ABAQUS建立層間接觸模型研究動(dòng)態(tài)輪載作用下半剛性基層瀝青路面在不同摩擦系數(shù)下的基-面層間剪應(yīng)力及拉應(yīng)力，依據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果得到摩擦系數(shù)相對(duì)較大的層間處治技術(shù)對(duì)于提高層間連接性能及抗疲勞開裂具有顯著效果。