高溫重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

楊真子

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，公路建設(shè)蓬勃發(fā)展。根據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，2018年年底，全國公路總里程457.73萬km，比上年末增加11.34萬km，公路密度47.68 km/100 km2，提高1.18 km/100 km2[1]。公路建設(shè)有力地推動了公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，但公路超載運(yùn)輸現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)峻，重載車輛特別是大幅超限車輛顯著增加，后軸從限定的100 kN增加到180 kN甚至200 kN以上，輪胎對路面的壓強(qiáng)從控制壓強(qiáng)0.7 MPa以內(nèi)增加到1.2 MPa。一些路面在使用初期就發(fā)生了嚴(yán)重破壞，而大量超限車輛是路面破壞的重要因素[2]，尤其是在高溫季節(jié)，高速公路行車道輪跡帶承受大量重車荷載的反復(fù)作用，將會直接影響路面的使用壽命。有試驗(yàn)資料表明：在一定的條件下路表溫度在40 ℃～60 ℃之間時(shí)，瀝青混合料溫度每上升5 ℃，其變形增加2倍[3]。因此加強(qiáng)高溫重載因素對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法具有重要意義。

高溫重載交通引起的路面早期破壞問題已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。Hao Y等[4]研究了重載對瀝青路面路用性能及使用壽命的影響程度；王輝等[5]通過現(xiàn)場調(diào)查、理論計(jì)算以及室內(nèi)試驗(yàn)研究了高溫重載對瀝青路面車轍的影響規(guī)律；艾長發(fā)等[6]研究了重載交通作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)；周俊等[7]定性研究了重載條件下瀝青路面豎向變形；關(guān)志深[9]研究了50號硬質(zhì)瀝青在濕熱地區(qū)的應(yīng)用；季節(jié)等[9]分析了高溫重載耦合作用下， DCLR改性瀝青混合料抗變形能力的影響；SAEVARSDOTTIR等[10]研究了重載作用下柔性路面的變形特征；李輝等[11]分析了連續(xù)變溫狀態(tài)下瀝青路面車轍狀況；QIAO[12]研究了考慮疊加效應(yīng)的瀝青重載車轍試驗(yàn)；曾俊鋮[13]分析了高溫條件下瀝青路面的剪應(yīng)變特征。這些研究多局限于單因素條件下的力學(xué)響應(yīng)分析，對重載與溫度耦合作用的研究相對較少，且大多數(shù)研究只是對影響程度作定性評價(jià)，缺乏對高溫重載耦合作用下瀝青路面力學(xué)特性變化規(guī)律的定量分析。為此，本文基于三維有限元方法，以半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為對象，采用ANSYS軟件定量分析常溫與高溫及不同超載率情況下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，定性分析溫度與軸載對各力學(xué)指標(biāo)的影響程度。

1 計(jì)算模型與原理

所取的路面結(jié)構(gòu)模型三維尺寸為：沿路面縱向(長)及橫向(寬)均為10 m，路面總厚度為0.76 m(未考慮土基)，由4 cm SMA-13瀝青混凝土上面層、6 cm AC-20瀝青混凝土、8 cm AC-25瀝青混凝土、38 cm水穩(wěn)碎石基層及20 cm水穩(wěn)碎石等5部分組成。采用有限元位移法的相關(guān)原理，對該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。

2 計(jì)算條件

2.1 單元劃分與邊界條件

路面結(jié)構(gòu)在水平方向和深度方向取有限尺寸，單元網(wǎng)格劃分見圖1。對其兩側(cè)進(jìn)行約束，面層表面作為自由面，不進(jìn)行任何約束。

圖1 路面結(jié)構(gòu)單元劃分

2.2 計(jì)算參數(shù)

本文主要討論在常溫(40 ℃)與高溫(70 ℃)時(shí)5種荷載作用下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的差異，其荷載等級大小見表1。結(jié)構(gòu)層材料按彈性材料考慮，各層材料的厚度及力學(xué)參數(shù)見表2。其中瀝青混合料動態(tài)模量E按美國瀝青路面協(xié)會AI得出的計(jì)算公式確定：

|E|=100 000×10β1

β1=β3+0.000 005β2-0.001 89β2f-1.1

β2=β40.5×Tβ5

β3=0.553 833+0.028 829(P200f-0.170 3)-

0.034 76Va+0.070 377λ+0.931 757f-0.027 74

β4=0.483Vb

β5=1.3+0.498 25lgf

λ=29 508.2(P25 ℃)-2.193 9

式中：β1～β5為中間參數(shù)；f為荷載頻率，取6 Hz；T為路表溫度，取40 ℃和70 ℃；P200為集料通過200號篩孔的百分比，取6%和5%；Va為空隙率，取4.5%和4%；Vb為瀝青體積，上、中、下各面層分別取11%、9.2%、9.0%；P25 ℃為25 ℃針入度。

表1 荷載水平

表2 路面結(jié)構(gòu)各層材料基本參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 路表彎沉

路表彎沉指在一定荷載作用下路表面的豎向變形，是反映路面結(jié)構(gòu)整體承載能力高低和使用狀況好壞最直觀的指標(biāo)[14]，它是由路面各結(jié)構(gòu)層各自變形綜合作用的結(jié)果，一定程度反映路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能。路面表面在常溫(40 ℃)和高溫(70 ℃)下與重載耦合作用后的豎向位移分布見圖2、圖3，根據(jù)豎向位移分布情況統(tǒng)計(jì)所得UYmax值,見表3及圖4。

由圖2、圖3可以看出，路面表面豎向位移隨著軸載的增加與溫度的升高而增大，但溫度對豎向位移產(chǎn)生的作用比軸載顯著，且隨著路表溫度的升高，軸載變化對一定水平向范圍內(nèi)路面表面豎向位移影響不顯著。

圖2 常溫(40 ℃)時(shí)不同軸載超限作用下路表豎向位移分布

圖3 高溫(70 ℃)時(shí)不同軸載超限作用下路表豎向位移分布

表3 溫度及重載耦合作用下路面豎向位移UYmax

圖4 溫度及重載耦合作用下路面豎向位移

路面在高溫環(huán)境下，瀝青層中瀝青的粘度出現(xiàn)急劇下降，集料顆粒之間的粘結(jié)力減小，高溫和重載的耦合作用使得表面豎向位移顯著增加。從表3和圖4中可以看出，豎向位移最大值與軸載成正線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)超限率達(dá)100%時(shí)，豎向位移最大值在常溫與高溫條件下均是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的2倍。在不同軸載作用下，豎向位移最大值高溫條件均比常溫增加了500%，但是在高溫環(huán)境中，豎向位移隨著軸載量級的增加而增大?？梢娫诟邷睾椭剌d耦合作用下，會加速致使路面開裂、沉陷及坑槽等病害。

3.2 拉應(yīng)力

半剛性基層瀝青路面在行車荷載作用下表面產(chǎn)生彎沉，使得路面各結(jié)構(gòu)層底產(chǎn)生彎拉應(yīng)力。面層底部的拉應(yīng)力是瀝青路面面層是否產(chǎn)生裂縫的重要控制指標(biāo)，拉應(yīng)力若超過極限則會引起路面結(jié)構(gòu)的破壞，各結(jié)構(gòu)層在高溫(70 ℃)與重載耦合作用下層底最大拉應(yīng)力值見表4及圖5。

表4 高溫及重載耦合作用下各層層底拉應(yīng)力最大值 MPa

注：“-”表示拉應(yīng)力。

圖5 高溫及重載耦合作用下各層層底壓應(yīng)力最大值

由表4與圖5可知，基層與底基層基本不承受拉應(yīng)力，故隨軸載的增加壓應(yīng)力變化不明顯，而上、中、下各面層拉應(yīng)力隨著荷載的增加不斷增大，當(dāng)超限率為100%時(shí)，其值約為標(biāo)準(zhǔn)軸載的2倍。超限運(yùn)輸使瀝青面層拉應(yīng)力增長較快，且上面層拉應(yīng)力最大，因此由拉應(yīng)力造成的破壞最先在上面層發(fā)生。由于下面層與基層沿水平方向拉應(yīng)力分布分別為負(fù)、正值，故在面層與基層接觸面上容易產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切破壞。在高溫環(huán)境中，各層層底拉應(yīng)力都有不同幅度的增長，但面層比基層增長幅度更大。因此，在高溫重載作用下，極易產(chǎn)生溫度疲勞型破壞，當(dāng)各結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力值超過材料疲勞強(qiáng)度，底面便開裂，進(jìn)而向上表面發(fā)展。

3.3 壓應(yīng)力

由于行車荷載作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力會使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓密變形，在施工控制中若壓實(shí)度不夠、材料組合設(shè)計(jì)不當(dāng)或基層、底基層整體性不是很好的情況下，行車荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力會使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致路面破壞。在行車荷載作用下，壓應(yīng)力由面層逐層向下傳遞，常規(guī)因素和極端因素作用下結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力分布見圖6、圖7；常溫及高溫不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力隨深度分布見圖8，溫度及重載耦合作用下路面結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力最大值見表5及圖9。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)軸載常溫作用下結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力分布

圖7 超限100%高溫作用下結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力分布

由圖6、圖7可以看出，由于面層較薄，行車荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力還未完全擴(kuò)散，主要集中在車輪周圍，并在輪跡作用點(diǎn)下方達(dá)到峰值；而基層與底基層較厚，應(yīng)力擴(kuò)散明顯，壓應(yīng)力消減迅速。由于上面層壓應(yīng)力最大，從而最容易產(chǎn)生壓密變形，且在高溫重載(超限100%)環(huán)境中，壓應(yīng)力約為常溫標(biāo)準(zhǔn)軸載的2倍，因此在高溫季節(jié)更要保證面層施工時(shí)的壓實(shí)度。

圖8 溫度及重載作用下壓應(yīng)力隨路面結(jié)構(gòu)層深度分布

表5 溫度及重載耦合作用下結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力最大值

圖9 溫度及重載耦合作用下結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力最大值

由表5和圖8、圖9可以看出，結(jié)構(gòu)各面層壓應(yīng)力最大值隨軸載的增加而增大，但基層壓應(yīng)力值增加幅度非常小，面層壓應(yīng)力最大值與軸載呈正線性相關(guān)；在高溫環(huán)境中，結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力雖有一定增加，但變化幅度很小，說明結(jié)構(gòu)各層層底壓應(yīng)力與軸載相關(guān)顯著，而與溫度相關(guān)不大。

3.4 剪應(yīng)力

公路使用狀況表明，剪應(yīng)力會使面層產(chǎn)生較嚴(yán)重的推移、擁包、車轍等損壞。對于瀝青路面，特別是夏季高溫時(shí)節(jié)，較小的剪應(yīng)力也會使瀝青面層產(chǎn)生嚴(yán)重的剪切破壞。因此，研究高溫重載作用下路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力發(fā)展規(guī)律很有必要。在不同溫度、不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)各層層底最大剪應(yīng)力分布見表6及圖10。

表6 溫度及重載耦合作用下結(jié)構(gòu)各層剪應(yīng)力最大值

圖10 溫度及重載耦合作用下結(jié)構(gòu)各層剪應(yīng)力最大值

由表6及圖10可知，各面層是結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力集中區(qū)域，其中常溫時(shí)(40 ℃)中面層剪應(yīng)力最大，高溫時(shí)(70 ℃)上面層剪應(yīng)力最大，但基層剪應(yīng)力不足面層的50%，各層剪應(yīng)力與軸載呈線性正相關(guān)；在高溫環(huán)境中，結(jié)構(gòu)各層最大剪應(yīng)力都較常溫增大，這是由于瀝青結(jié)合料的粘結(jié)力隨著溫度的升高而降低，當(dāng)溫度超過瀝青軟化點(diǎn)時(shí)，結(jié)合料基本處于流動狀態(tài)，粘結(jié)力急劇下降，致使在高溫重載環(huán)境中，面層剪應(yīng)力會使面層產(chǎn)生嚴(yán)重的剪切變形，出現(xiàn)車轍現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

路面結(jié)構(gòu)三維空間力學(xué)分析可以近似模擬實(shí)際路面在不同因素作用下的力學(xué)特性，本文通過分析半剛性路面結(jié)構(gòu)在溫度與重載耦合作用下各力學(xué)指標(biāo)的響應(yīng)，得到如下結(jié)論：

1) 路表彎沉隨著軸載增加而增大，豎向位移最大值與軸載呈正線性相關(guān)，當(dāng)超限率達(dá)100%時(shí)，其值約為標(biāo)準(zhǔn)軸載的2倍；高溫環(huán)境中，豎向位移最大值隨軸載增加幅度增大。

2) 路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力與軸載均呈正線性相關(guān)，且面層拉應(yīng)力比基層拉應(yīng)力增長幅度更明顯；高溫重載(超限100%)環(huán)境中，壓應(yīng)力約為常溫標(biāo)準(zhǔn)軸載的2倍，在高溫環(huán)境中，結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力雖有一定增加，但變化幅度不太明顯，重載對結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力的影響較溫度的影響更顯著；面層是結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力集中區(qū)，常溫時(shí)中面層剪應(yīng)力最大，高溫時(shí)上面層剪應(yīng)力最大，在高溫重載(超限100%)作用下，其值約為常溫標(biāo)準(zhǔn)軸載的2.21倍。

3) 高溫重載環(huán)境中，路面彎沉及結(jié)構(gòu)應(yīng)力均有大幅增加，使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的彎拉變形、壓密變形及剪切變形，這些變化的綜合作用使路面損壞程度加深，較大降低了路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。