層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析

朱林濤

（汕頭大學(xué)，廣東 汕頭 515063）

0 引言

我國(guó)瀝青路面的設(shè)計(jì)方法是以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)的，能夠較好地反映瀝青路面的分層鋪裝特性和應(yīng)力狀態(tài)，一般可以作為力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法的理論模型。該理論要求在實(shí)際應(yīng)用和施工過(guò)程中，瀝青路面各層構(gòu)造在接觸條件上滿足層間完全連續(xù)性以及材料的彈性、受力均勻性和材料、受力各向同性的理論假設(shè)。在實(shí)際的瀝青路面施工過(guò)程中，為了保證層與層之間的施工質(zhì)量，現(xiàn)已有眾多技術(shù)措施來(lái)支持，比如設(shè)置粘層、透層、封層，更能夠根據(jù)不同的狀況靈活地選取幾種技術(shù)措施。但是因?yàn)槁访孀鳂I(yè)的交叉與間斷操作，或者由于車輛與人通行之后清掃不及時(shí)，導(dǎo)致瀝青各個(gè)面層之間或基層與下面層之間的黏結(jié)性能受到影響，遇水后會(huì)形成淤泥，從而造成污染。路面各個(gè)結(jié)構(gòu)間的黏結(jié)狀態(tài)由連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榘脒B續(xù)、甚至滑動(dòng)狀態(tài)，這一變化使路面的完整性和使用壽命受到重大影響。因此，以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)，從實(shí)際受力狀態(tài)出發(fā)，充分考慮路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際接觸情況，才能獲得路面設(shè)計(jì)最理想的效果。

1 對(duì)瀝青路面應(yīng)力的相關(guān)分析

1.1 彈性層狀體系理論

路面設(shè)計(jì)時(shí)，以瀝青混凝土路面為例，它的設(shè)計(jì)規(guī)范依據(jù)是彈性層狀體系理論。關(guān)于瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從過(guò)去到現(xiàn)在有眾多的理論基礎(chǔ)，此彈性層狀體系理論已經(jīng)能夠較好地反映路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，因此在計(jì)算時(shí)多采用該理論。并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)彈性層狀體系結(jié)構(gòu)（瀝青路面結(jié)構(gòu)）進(jìn)行精確計(jì)算，使得利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果加以修正以獲得可靠的數(shù)據(jù)信息的目的得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 有限元分析方法

應(yīng)用有限元方法對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)進(jìn)行研究主要形成了兩種思路。第一種是根據(jù)已有的路面設(shè)計(jì)軟件和自己編寫的有限元程序來(lái)改變層間剪切模量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二種是利用大型有限元軟件如ansys、abaqus等，設(shè)置不同的層間摩擦系數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)不同的路面層間接觸狀態(tài)。有限元軟件的出現(xiàn)為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算問(wèn)題提供了有力的保障和支持。路面層間接觸的分析屬于非線性分析的范疇，有限元分析對(duì)于由于車輛荷載和溫度引起路面的非線性變化有完善的計(jì)算系統(tǒng)。車輛行駛過(guò)程中可能會(huì)面臨時(shí)經(jīng)常性的剎車制動(dòng)與起步，這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生水平作用力，在接觸分析這一領(lǐng)域還可以研究水平制動(dòng)力對(duì)瀝青面層的力學(xué)響應(yīng)，利用已建好的有限元模型分析各個(gè)力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律。

1.3 流變學(xué)和黏彈性力學(xué)

這兩種學(xué)科發(fā)展至今已有50多年的歷史，主要被國(guó)外學(xué)者應(yīng)用來(lái)研究一些材料的特性。對(duì)瀝青路面所受荷載的加載規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)上主荷載——車輛驅(qū)動(dòng)荷載既屬于一種動(dòng)態(tài)荷載，又具備瞬時(shí)荷載的循環(huán)重復(fù)的加載特點(diǎn)，所以瀝青路面在這種車輪的驅(qū)動(dòng)荷載作用下明顯會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變滯后現(xiàn)象和應(yīng)力松弛現(xiàn)象。這兩門科學(xué)為系統(tǒng)地研究和闡述瀝青路面結(jié)構(gòu)受力的機(jī)理提供了重要的理論支持的指導(dǎo)，然后以此為前提提出一種科學(xué)的檢測(cè)方法，使計(jì)算所得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確科學(xué)。

2 層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)的確定

2.1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

在進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，需要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：建立合適的計(jì)算模型，劃分合理的網(wǎng)格方便計(jì)算和便于精準(zhǔn)計(jì)算，充分考慮幾何邊界條件等問(wèn)題。同時(shí)，還需要選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)值來(lái)區(qū)分不同的接觸類型，本文將通過(guò)設(shè)置不同的摩擦系數(shù)來(lái)區(qū)分。在確定模型尺寸的時(shí)候，先參考相關(guān)文獻(xiàn)中瀝青路面的理論模型尺寸，再結(jié)合計(jì)算的需求、有限元軟件分析計(jì)算速度和計(jì)算機(jī)的計(jì)算運(yùn)行因素，建立模型尺寸長(zhǎng)寬高分別為5m×5m×2m（長(zhǎng)×寬×高）。網(wǎng)格劃分的時(shí)候?yàn)榱烁玫亟咏鼘?shí)際狀態(tài)和方便準(zhǔn)確的計(jì)算分析，可以依據(jù)的原則是根據(jù)荷載作用區(qū)域的影響范圍，車輛荷載作用較近的區(qū)域劃分為密集網(wǎng)格，荷載作用較遠(yuǎn)的區(qū)域劃分為稀疏網(wǎng)格。根據(jù)已有高速公路的材料參數(shù)確定本文路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，如表1所示。

荷載作用的計(jì)算模型為雙圓均布荷載。一側(cè)兩個(gè)車輪的總載荷為50kN，載荷圓半徑為10.65cm。

2.1.2 根據(jù)接觸狀態(tài)計(jì)算分析

接觸分析的研究思路是在有限元軟件中將其設(shè)置為約束狀態(tài)，這個(gè)是可以通過(guò)有限元軟件設(shè)置功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并以此模擬路面結(jié)構(gòu)層的整體受力，將計(jì)算結(jié)果與彈性層狀體系理論模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明本模型的合理性。針對(duì)接觸和連續(xù)兩個(gè)模型在彎沉和剪應(yīng)力等力學(xué)指標(biāo)做一個(gè)計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比。再針對(duì)接觸模型，改變不同的摩擦系數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)不同層間接觸狀態(tài)，最后得出接觸模型更符合路面的實(shí)際受力狀態(tài)，接觸模型的計(jì)算結(jié)果更有利于指導(dǎo)工程施工、路面設(shè)計(jì)等。

2.2 不同接觸狀態(tài)數(shù)值計(jì)算

2.2.1 不同接觸狀態(tài)最大剪應(yīng)力數(shù)值計(jì)算

使得瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生病害的原因有很多，但剪應(yīng)力在其中發(fā)揮著不可忽視的作用。在摩擦系數(shù)μ=0.5的連續(xù)模型和接觸模型中，沿垂直結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在層底。從上到下，連續(xù)模型的最大剪應(yīng)力低于接觸模型的最大剪應(yīng)力，且沿截面的變化趨勢(shì)更加緩和。計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析如圖1，2所示。

表1 國(guó)內(nèi)知名高速公路材料參數(shù)

通過(guò)對(duì)兩層底部剪應(yīng)力曲線圖的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在載荷區(qū)域以下的邊緣，接觸模型上層最大剪應(yīng)力的變化趨勢(shì)大于連續(xù)模型上層的變化趨勢(shì)，與檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，接觸模型更符合路面的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。連續(xù)模型（理想模型）中的最大剪應(yīng)力和整體剪應(yīng)力相對(duì)于實(shí)際受力較小，且應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象出現(xiàn)在地基中，以此結(jié)果進(jìn)行路面設(shè)計(jì)將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層厚度的不足。兩種模型的剪應(yīng)力對(duì)比如2所示。

2.2.2 層面彎沉值計(jì)算

在JTGD50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中，路面施工結(jié)束時(shí)，為保證路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)要求，設(shè)置了一系列力學(xué)指標(biāo)，彎沉值就是其中一項(xiàng)重要的檢測(cè)指標(biāo)。但是，調(diào)查結(jié)果顯示，大多數(shù)正在使用的高速公路，實(shí)際檢測(cè)的路面彎沉值與路面損壞之間無(wú)明顯的關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，公路正常使用的時(shí)候，瀝青路面層與層交接的地方接觸狀態(tài)和相互作用的方式逐漸改變。應(yīng)用有限元軟件對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，設(shè)置不同的層間摩擦系數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)不同的層間接觸狀態(tài)。綜合考慮不同的層間接觸狀態(tài)，從接觸良好（μ=0.7）到接觸不良（μ=0.3），計(jì)算所得彎沉值的數(shù)值曲線如圖3～5所示。

圖1 連續(xù)模型層底剪應(yīng)力曲線

表2 兩種模型最大剪應(yīng)力值及增幅

圖2 接觸模型層底剪應(yīng)力曲線

圖3 面層彎沉值計(jì)算結(jié)果

圖4 基層彎沉值計(jì)算結(jié)果

圖5 底基層彎沉值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)曲線圖可以看出，靠近單圓軸中線的位置發(fā)生較大的變形，撓度達(dá)到峰值，兩圓間隙內(nèi)范圍撓度變形較大，距離荷載作用范圍越遠(yuǎn)，撓度變形越小。撓度大小變化規(guī)律與距離荷載作用區(qū)的遠(yuǎn)近有關(guān)，跟不同的摩擦系數(shù)無(wú)關(guān)。摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)著層間接觸的程度，摩擦系數(shù)越小，層間不連續(xù)程度增加，瀝青面層底部撓度大小幾乎無(wú)變化，底基層底部撓度增大趨勢(shì)最為明顯，增加了25.6%，瀝青路面結(jié)構(gòu)總彎沉主要部分就是底基層底部產(chǎn)生的撓度變形。各層在不同摩擦系數(shù)下的最大撓度值如表3所示。

3 瀝青路面應(yīng)力的影響因素分析

3.1 瀝青層厚度對(duì)應(yīng)力分布的影響

本文為研究瀝青路面厚度與其應(yīng)力分布的作用機(jī)理，選取4種厚度分別為8，12，15，18cm的瀝青路面，建立了不同厚度的路面有限元模型，選擇剪應(yīng)力為主要研究力學(xué)指標(biāo)。主要結(jié)論如下：①瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層厚度是影響瀝青路面受力狀態(tài)和強(qiáng)度的重要因素；②當(dāng)瀝青路面厚度超過(guò)18cm時(shí)，瀝青路面與基層之間的剪應(yīng)力趨于零，而瀝青路面的剪應(yīng)力則隨著瀝青路面厚度的增加而增大。③瀝青路面面層厚度越小，瀝青面層與基層之間的剪應(yīng)力越大。

3.2 瀝青路面模量對(duì)應(yīng)力的影響

瀝青路面出現(xiàn)車轍是很常見的現(xiàn)象，它的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果，溫度影響和荷載是兩個(gè)重要原因。由于瀝青路面材料具有黏彈性，應(yīng)力引起的車轍實(shí)際上是瀝青路面材料在高溫作用下的狀態(tài)變化。因此，路面層車轍的產(chǎn)生不僅與路面所受荷載產(chǎn)生應(yīng)力有關(guān)，而且受溫度的影響比較明顯。瀝青混合料的受力狀態(tài)隨溫度而改變的特性，直接對(duì)路面質(zhì)量產(chǎn)生影響。在高溫狀態(tài)影響下，瀝青混合料具有黏彈性、塑性體性質(zhì)，承受車輛帶來(lái)的荷載壓力和少量的應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由于溫度變形而產(chǎn)生的變形力，這種力會(huì)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)帶來(lái)永久性的破壞，路面遭到破壞之后，車輛的正常行駛也受到了影響。溫度對(duì)瀝青路面的剛度模量會(huì)產(chǎn)生十分顯著的影響。混合料的剛度模量隨著溫度的升高而降低，成反比例關(guān)系，瀝青路面剛度模量降低對(duì)路面受力的影響大。

4 結(jié)語(yǔ)

比較分析之后可以得出以下結(jié)論：路面結(jié)構(gòu)層表層的剪應(yīng)力較大的時(shí)候，底層的剪應(yīng)力也達(dá)到峰值?；鶎踊蛳虏炕鶎拥穆访婧穸葧?huì)影響路面瀝青層的變形，大體成正比例關(guān)系。對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用年限分析時(shí)，除了考慮路面的荷載作用外，還應(yīng)考慮到在高溫下的穩(wěn)定性。當(dāng)路面模量減小時(shí)，路面內(nèi)部的激振力略有提高，這時(shí)路面如果受到高溫的影響就容易發(fā)生由溫度應(yīng)力引起的破壞。而提高或減小基層厚度和模量等變化時(shí)，路面剪應(yīng)力大小的變化不顯著。

表3 不同摩擦系數(shù)下最大彎沉值 mm