基于層間不同接觸條件的高模量瀝青路面力學分析

鄧陳記， 王金兵， 王 博， 于恒峰

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用彈性層狀理論，計算時假定路面結(jié)構(gòu)面層之間、面層與基層之間等均是完全連續(xù)的，這與路面的實際情況并不相符。瀝青路面采用多層層狀結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層材料均不相同，各材料層之間由于其性能、工藝、要求均不相同，實際很難達到完全連續(xù)的理想狀態(tài)。現(xiàn)有的研究成果表明，路面各結(jié)構(gòu)層之間層間接觸條件惡化，使得其受力狀態(tài)在整個路面結(jié)構(gòu)中處于最不利狀態(tài)，因此，層間接觸不良是引起半剛性基層瀝青路面早期損壞的主要原因之一[1]。本文采用Bisar 3.0計算軟件，分析了傳統(tǒng)的半剛性基層路面和倒裝結(jié)構(gòu)路面在層間條件變化時的力學指標變化規(guī)律，以便更好地了解高模量路面結(jié)構(gòu)在不同層間接觸狀態(tài)下的力學性能變化規(guī)律。

1 高模量典型路面結(jié)構(gòu)及計算參數(shù)

1.1 加載形式

跨面加載形式如圖1所示。

圖1 路面荷載及計算點示意圖

依據(jù)我國現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)，在進行瀝青路面結(jié)構(gòu)計算和分析時，采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層連續(xù)彈性層狀體系。計算時設(shè)橫斷面方向為y方向，行車方向為x方向，豎直向下為z方向[1]。標準軸載參數(shù)見表1。

表1 標準軸載計算參數(shù)

1.2 路面結(jié)構(gòu)

高速公路加寬主要采用設(shè)置AM-25(再生)層的路面結(jié)構(gòu)，部分采用級配碎石基層瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)詳見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)形式一覽表

為了研究高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)受力特點，采用Shell方法中Bisar3.0軟件對高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)層進行仿真模擬，計算不同路面結(jié)構(gòu)組合下各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力和應(yīng)變變化情況，以便為確定直投式高模量瀝青混合料試驗段路面結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

(3)計算參數(shù)。針對瀝青面層計算路表彎沉值時，瀝青層模量取20 ℃時的抗壓回彈模量；計算基底拉應(yīng)力時，瀝青層模量取15 ℃時的抗壓回彈模量；計算瀝青層剪應(yīng)力時，瀝青層上面層取50 ℃時的抗壓回彈模量，中下面層取20 ℃時的抗壓回彈模量。

表3 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)一覽表

2 不同層間接觸狀態(tài)下的剪切彈性柔量分析

為了計算不同層間接觸狀態(tài)下高模量路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律，本文采用Bisar 3.0軟件中的簡化彈性柔量ALK[2]進行分析，其公示定義如下：

式中：a為荷載半徑，半徑標準值0.106 5 m；?為滑動系數(shù)。

其中，層間完全黏結(jié)時?=0，層間完全滑動時?=1。同時，為分析不同層間滑動程度下高模量路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律，計算了不同層間滑動狀態(tài)下的簡化剪切彈性柔量，計算結(jié)果見表4。

表4 不同層間接觸狀態(tài)下簡化彈性柔量數(shù)值

目前，對層間接觸狀態(tài)對高模量路面結(jié)構(gòu)力學指標的影響已經(jīng)有了一些研究成果，但由于現(xiàn)有研究成果主要圍繞基層和面層的接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)的影響展開，但對高模量路面結(jié)構(gòu)在不同接觸狀態(tài)下的力學指標變化研究很少。本文選擇典型的高速公路改擴建路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Bisar 3.0軟件系統(tǒng)地分析不同典型高模量路面結(jié)構(gòu)層間的接觸位置對瀝青路面力學指標的影響，以便能清楚地認識不同層間接觸條件對瀝青路面的影響[4]。

3 不同層間滑動位置力學分析

3.1 不同層間滑動位置對應(yīng)力的影響

位系統(tǒng)的分析不同典型高模量路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)對各層力學指標的影響規(guī)律，分別假定在上中面層、中下面層、下面層與基層、基層與底基層和底基層與土基等7種不同層間接觸位置完全滑動，其他各層完全連續(xù)條件下進行力學計算，并與路面結(jié)構(gòu)各層均處于連續(xù)狀態(tài)時的力學指標進行對比[3]。不同結(jié)構(gòu)層層間滑動位置下，荷載中心處結(jié)構(gòu)路表及各層層底的應(yīng)力計算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)一不同層間滑動位置應(yīng)力變化趨勢

圖3 結(jié)構(gòu)二不同層間滑動位置應(yīng)力變化趨勢

從上圖中可以看出：

(1)在整個路面結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)時，面層主要承受壓應(yīng)力或者較小的拉應(yīng)力，與結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)相比較，當某一層層間處于不完全連續(xù)時，整個路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著變化，特別是底基層以上層位影響最為明顯，底基層以下層位影響相對較小。由此可以看出，瀝青面層間的接觸狀況對面層的受力影響較為明顯，而對基層和底基層等層位的受力影響要小得多。

(2)在各層間完全連續(xù)條件下，上下面層主要承受壓應(yīng)力，僅在中面層有小幅的拉應(yīng)力，壓應(yīng)力起控制作用，則規(guī)范要求驗算的拉應(yīng)力指基本沒有意義，瀝青層很難出現(xiàn)由于拉應(yīng)力較大引發(fā)法人面層開裂病害；層間接觸狀態(tài)發(fā)生變化時，則瀝青面層的受力狀態(tài)和受力大小急劇變化，尤其是中下面層的拉應(yīng)力迅速增加。與完全連續(xù)狀態(tài)下計算結(jié)果相比較，上中面層層間完全滑動狀態(tài)時，上面層底部由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力；中下面層層間完全滑動狀態(tài)時，中面層底部由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力；在下面層與基層完全滑動狀態(tài)時，下面層底部由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。

(3)不同層間接觸位置下，下基層、底基層和功能層底的應(yīng)力均為正值，這說明該結(jié)構(gòu)層主要承受拉應(yīng)力，層間接觸狀態(tài)的變化沒有改變該結(jié)構(gòu)層的受力狀態(tài)，但拉應(yīng)力值較各層間完全連續(xù)時均有一定幅度的增大。結(jié)構(gòu)二的變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)一基本一致。

3.2 不同層間滑動位置對應(yīng)變的影響

不同結(jié)構(gòu)層層間滑動時，兩種典型路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層層底的應(yīng)變計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)一不同層間滑動時的應(yīng)變規(guī)律

從上圖中可以看出：

(1)層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)變的變化規(guī)律與應(yīng)力基本一致，底基層以上層位處于滑動狀態(tài)下高模量路面結(jié)構(gòu)各層的應(yīng)變變化顯著，底基層以下層位應(yīng)變影響相對較小。

(2)與結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)相比較，上中面層層間滑動時，上面層底部的由壓應(yīng)變變化為較大拉應(yīng)變；中下面層層間滑動時，中面層底部的拉應(yīng)變大幅增加，由此可見，層間接觸狀態(tài)發(fā)生變化，會引起路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層應(yīng)變的顯著變化，當結(jié)構(gòu)層層底的拉應(yīng)變超過混合料的極限拉應(yīng)變，瀝青面層便會出現(xiàn)疲勞開裂，且拉應(yīng)變的最大值均出現(xiàn)在瀝青面層底，在施工時應(yīng)注意加強各結(jié)構(gòu)層間的聯(lián)結(jié)。

4 結(jié)束語

(1)路面結(jié)構(gòu)一層間接觸狀態(tài)對各層應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律基本一致，即底基層以上層位滑動時對各層應(yīng)力應(yīng)變的影響較為顯著，甚至會改變結(jié)構(gòu)層的受力狀態(tài)，底基層以下層位對結(jié)構(gòu)層的影響較小。因此，高模量路面結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)加強各結(jié)構(gòu)層特別是底基層以上層位的層間聯(lián)結(jié)處理。

(2)在結(jié)構(gòu)二中，由于設(shè)置了級配碎石層，故滑動系數(shù)主要對級配碎石層以上的瀝青面層底的應(yīng)變影響較顯著，級配碎石層以下的水穩(wěn)層底應(yīng)變受層間接觸狀態(tài)的影響很小。