瀝青路面坑槽快速修補(bǔ)力學(xué)特性研究

趙鋒軍, 高明月, 唐宇航

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

0 引言

瀝青路面憑借整體強(qiáng)度高、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但受交通量的劇增以及復(fù)雜環(huán)境的影響，瀝青路面會產(chǎn)生一系列的路面病害，其中危害性較大的是坑槽?？硬鄯植挤稚ⅲ瑫?yán)重降低瀝青路面的服務(wù)性能和行車舒適性,影響車輛的行駛安全，減少瀝青路面的壽命，從而帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，所以及時(shí)修補(bǔ)坑槽很必要[1]。高菲等[2]通過節(jié)點(diǎn)追蹤的方法確定最不利受力位置，研究修補(bǔ)面積、基層修補(bǔ)模量和層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)的影響，確定坑槽修補(bǔ)的范圍。田耀剛等[3]主要探究了材料模量對坑槽修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)影響。張倩等[4]考慮坑槽接縫界面應(yīng)力集中問題，分析其影響因素,對修補(bǔ)尺寸提出建議。李煒光等[5-6]針對坑槽修補(bǔ)后會出現(xiàn)二次破壞等問題，對修補(bǔ)界面力學(xué)行為進(jìn)行了分析。溫志廣等[7-9]考慮不同的接觸狀態(tài)下坑槽補(bǔ)縫處的力學(xué)行為，并在不同的接觸狀態(tài)下研究修補(bǔ)厚度和修補(bǔ)模量對界面的影響。這些研究內(nèi)容大都基于目前坑槽修補(bǔ)方式，但其修補(bǔ)方法效果不理想，并且不能及時(shí)開放交通?；诖?，本文采用修補(bǔ)材料預(yù)制的方式對坑槽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，通過建立有限元模型，以半剛性基層瀝青路面為研究對象，研究修補(bǔ)塊材料、尺寸、厚度對坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，為瀝青路面坑槽快速修補(bǔ)提供理論支持。

1 瀝青路面坑槽修補(bǔ)有限元模型

1.1 有限元模型建立

本文的模型建立基于坑槽快速修補(bǔ)工藝，具體方式是：先將瀝青路面坑槽進(jìn)行切割鑿除；再對底部采用環(huán)氧砂漿找平、放置修補(bǔ)塊；最后對接縫位置進(jìn)行處理，從而達(dá)到快速開放交通的目的。修補(bǔ)材料根據(jù)瀝青混合料試件制作方法碾壓成型[10]。

路面結(jié)構(gòu)層選取連續(xù)體系半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。瀝青混合料是非線性粘-彈-塑性材料，由于車輪在路面作用的時(shí)間較短，發(fā)生的彈塑性變形可忽略不計(jì)，所以采用彈性層狀理論體系[11]。假定各層之間完全連續(xù)，各層為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料 ，水平方向和路基底面全約束。

圖1 有限元模型圖

1.2 參數(shù)選取

1)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)：假定路面材料是各向同性的線彈性材料，主要用彈性模量E和泊松比μ表征其力學(xué)性能，瀝青路面結(jié)構(gòu)形式與材料參數(shù)如表1所示。

2)模型尺寸及荷載布設(shè):路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常假定各層為無限大的彈性體，模型尺寸過大則影響計(jì)算速度,過小則不能很好的模擬實(shí)際路面受力情況。本文采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7MPa。為方便計(jì)算，將輪荷載簡化為20cm×18cm的矩形均布荷載，雙輪中心距為30cm，荷載作用于坑槽中心位置。選取坑槽修補(bǔ)的尺寸為1.5m×1m×0.7m，取道路中間位置，修補(bǔ)后周圍會存在接縫，假定接縫寬度為2mm。根據(jù)圣維南原理，離載荷較遠(yuǎn)處對應(yīng)力分布只有極小影響[12-13]，同時(shí)對比路面建模經(jīng)驗(yàn)的模型尺寸，確定該模型水平方向的X軸(道路橫向)與Y軸(行車方向)尺寸分別為5.54m和5.04m，Z軸尺寸選擇實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)，深度為4.845m。

3)單元類型：采用6面體8節(jié)點(diǎn)SOLID45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后根據(jù)輪載尺寸在表面荷載節(jié)點(diǎn)上施加均布荷載并進(jìn)行求解。

4)層間接觸：建模過程中路面結(jié)構(gòu)的各層之間接觸情況為完全連續(xù)，由于坑槽修補(bǔ)過程中壁面接縫位置采用具有良好性能的灌縫材料進(jìn)行處理，所以本文假定其接觸情況完全連續(xù)。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)層材料厚度/cm模量/MPa泊松比上面層SMA-134.01 2000.35中面層AC-20I6.01 1000.35下面層AC-25I8.01 1000.35下封層ES-3乳化瀝青稀漿0.51 0000.30上基層水泥穩(wěn)定級配碎石31.01 3000.25下基層4%水泥穩(wěn)定石粉渣20.01 2000.25墊層碎石墊層15.02000.25路基土基400.0400.40

2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)坑槽形成原因和修補(bǔ)機(jī)理[14-15]，在移動荷載作用下修補(bǔ)材料會出現(xiàn)壓轉(zhuǎn)變。在車輛駛離或駛近坑槽時(shí)，接縫處會受到拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用，易出現(xiàn)破損，底縫自身受到剪應(yīng)力作用可能會與舊的瀝青路面失去粘結(jié)。

2.1 材料模量對修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的影響

本文選取5種高性能材料作為修補(bǔ)材料，其模量的取值分別是1400、2000、5000、10000、20000MPa，分析研究不同材料對坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的影響。圖2為修補(bǔ)材料模量與修補(bǔ)塊底部拉應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系圖。

圖2 材料模量對修補(bǔ)塊底部拉應(yīng)力和剪應(yīng)力影響

由圖2可知，隨著彈性模量增加，橫向壓應(yīng)力和縱向壓應(yīng)力均增大；對于剪應(yīng)力，τyz和τxz隨模量增大逐漸減小，并且兩者差距越來越小。當(dāng)E<5000MPa時(shí)，道路橫向的壓應(yīng)力小于行車方向壓應(yīng)力；E>5000MPa時(shí)，道路橫向的壓應(yīng)力大于縱向壓應(yīng)力。

根據(jù)接縫處拉應(yīng)力分布情況，選取橫縫底緣研究材料模量對接縫處拉應(yīng)力的影響，其結(jié)果如圖3、圖4所示。接縫處分別選取橫縫和縱縫不同深度的水平方向剪應(yīng)力和豎直方向剪應(yīng)力進(jìn)行分析，如表2所示。

圖3 材料模量對橫縫底緣拉應(yīng)力影響(z=-6 cm)

圖4 材料模量對橫縫底緣中部和右側(cè)拉應(yīng)力影響(z=-6 cm)

由圖3可知，底緣橫縫承受壓應(yīng)力，且隨材料模量的增大而逐漸增大，底緣橫縫兩側(cè)的壓應(yīng)力急劇增大。由圖4可知，底緣橫縫中部的壓應(yīng)力隨材料模量的增大呈遞增趨勢。當(dāng)E≤10000MPa，底部橫縫邊緣的壓應(yīng)力隨模量的增大而增大，變化較為明顯；當(dāng)E從10000MPa變化至20000MPa時(shí)，底部橫縫邊緣壓應(yīng)力增大幅度明顯減小。

由表2可知: ① 當(dāng)E≤5000MPa時(shí)，τxy隨深度減小；E>5000MPa時(shí)，橫縫τxy等于縱縫的,且隨模量的增大而增大，但隨著深度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;當(dāng)材料模量為5000MPa時(shí)，沿深度方向的中部和底部的縱縫τxy等于橫縫，所以5000MPa時(shí)縱縫處的τxy呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。② 橫縫處的τyz和縱縫處的τxz隨模量增加逐漸增加，沿深度方向也呈現(xiàn)增加趨勢；橫縫處的τyz普遍大于縱縫處τxz，最大值位于底緣。在此取橫縫剪應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果分別見圖5～7。

表2 不同材料模量時(shí)接縫處的剪應(yīng)力MPa應(yīng)力材料模量1 4002 0005 00010 00020 000z=0 m0.010 77 0.010 77 0.008 63 0.018 05 0.030 92 橫縫z=-0.03 m0.008 69 0.008 17 0.006 98 0.017 57 0.027 23z=-0.06 m0.006 55 0.005 12 0.006 79 0.018 59 0.032 04τxyz=0 m0.009 11 0.007 78 0.005 45 0.018 05 0.030 92縱縫z=-0.03 m0.007 57 0.006 11 0.006 98 0.017 57 0.027 23 z=-0.06 m0.006 12 0.004 03 0.006 79 0.018 59 0.032 04z=0 m0.000 69 0.001 36 0.003 35 0.005 39 0.008 92橫縫z=-0.03 m0.003 31 0.004 87 0.008 25 0.008 84 0.011 39z=-0.06 m0.006 84 0.010 85 0.023 22 0.032 54 0.040 35τyz/τxzz=0 m0.000 55 0.001 00 0.002 55 0.005 31 0.008 82 縱縫z=-0.03 m0.002 71 0.003 82 0.006 70 0.008 39 0.011 27z=-0.06 m0.005 35 0.008 00 0.017 00 0.024 68 0.032 41

由圖5、圖6可知： ① 坑槽修補(bǔ)后水平剪應(yīng)力沿橫向接縫長度呈對稱分布，在接縫邊緣處τxy最大。② 隨著修補(bǔ)塊材料模量的增大，橫向底緣接縫水平剪應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢，大體是從修補(bǔ)塊模量為5000MPa時(shí)開始增加。③ 修補(bǔ)塊底部橫向接縫處豎向剪應(yīng)力隨著材料模量的增大逐漸增大，橫向接縫邊緣豎向應(yīng)力急劇增大。由圖7可知，橫縫中部的增長幅度大于橫縫邊緣，隨著修補(bǔ)塊材料模量的增大，增長速率逐漸減小。

圖5 材料模量對橫縫底緣水平方向剪應(yīng)力影響(z=-6 cm)

圖6 材料模量對橫縫底緣豎直方向剪應(yīng)力影響(z=-6 cm)

圖7 材料模量對橫縫底緣中部和邊緣豎直方向剪應(yīng)力影響(z=-6 cm)

2.3 修補(bǔ)厚度對修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的影響

針對淺坑槽(即坑槽深度≤10cm)，選擇了3、5、7、10cm這4種深度進(jìn)行分析，其中每種深度包括1cm的環(huán)氧砂漿找平層，選擇的研究對象為修補(bǔ)塊底部和修補(bǔ)塊與舊路面接縫處，研究結(jié)果見表3和圖8～10。

表3 不同厚度時(shí)修補(bǔ)塊的底部應(yīng)力MPa(2+1)cm(4+1)cm(6+1)cm(9+1)cmSX-0.019 94-0.018 38-0.017 35-0.016 56SY-0.027 55-0.025 38-0.023 41-0.021 60YZ0.143 060.165 330.159 420.139 09XZ0.146 490.163 280.154 720.133 24

通過表3數(shù)據(jù)可以看出： ① 底部均為壓應(yīng)力，隨著厚度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小。② 同一厚度2個(gè)方向的剪應(yīng)力差值在5%以內(nèi)，并且隨著厚度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在修補(bǔ)塊厚度為4 cm時(shí)，修補(bǔ)塊底部剪應(yīng)力取得最大值。

圖8 修補(bǔ)塊厚度對橫向底緣接縫拉應(yīng)力影響

圖9 修補(bǔ)塊厚度對橫向底緣接縫水平方向剪應(yīng)力影響

圖10 修補(bǔ)塊厚度對橫縫底緣豎直方向剪應(yīng)力影響

從圖8、圖9和圖10可以看出，修補(bǔ)塊橫向底緣接縫都承受壓應(yīng)力，中部壓應(yīng)力最大，兩側(cè)壓應(yīng)力最小,隨著厚度的增加，兩側(cè)壓應(yīng)力逐漸減?。恍扪a(bǔ)塊橫向底緣中部附近水平剪應(yīng)力無明顯變化，兩側(cè)水平剪應(yīng)力隨厚度增加稍有減小;修補(bǔ)塊底緣橫向接縫豎向剪應(yīng)力隨修補(bǔ)塊厚度的增加而逐漸增大，在中部取得最大值，但兩端豎向剪應(yīng)力減小明顯。

2.4 修補(bǔ)尺寸對修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的影響

本文選取長×寬為1m×1m、1m×1.5m、1.5m×1m、1m×2m、2m×1m的修補(bǔ)塊進(jìn)行試驗(yàn)，為便于區(qū)分，采用長寬比表示。研究結(jié)果見圖11～14。

圖11 長寬比對修補(bǔ)塊底部拉應(yīng)力影響(z=-6 cm)

圖12 長寬比對修補(bǔ)塊底部剪應(yīng)力影響(z=-6 cm)

圖13 長寬比對底緣接縫處拉應(yīng)力影響(z=-6 cm)

圖14 長寬比對接縫處剪應(yīng)力影響(z=-6 cm)

由圖 11和圖12可以看出，長寬比≤1時(shí)，修補(bǔ)塊底部的拉應(yīng)力SY>SX；長寬比>1時(shí)，修補(bǔ)塊底部的拉應(yīng)力SX>SY，拉應(yīng)力隨長寬比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。修補(bǔ)塊底部τyz>τxz，τyz隨長寬比的增大無明顯變化。

圖13和圖14表明：橫縫和縱縫處的SX以及橫縫和縱縫處的SY都幾乎重合，這是由于拉應(yīng)力的最大值一般出現(xiàn)在板角處。橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力變化與修補(bǔ)塊底部拉應(yīng)力變化相似。橫縫和縱縫的水平方向剪應(yīng)力τxy隨長寬比的增大先減小后增大；對于豎向剪應(yīng)力τyz和τxz，縱縫處的τxz隨著長寬比的增大逐漸減小，橫縫處τyz隨長寬比的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。對于接縫，豎向剪應(yīng)力的變化幅度大于水平方向剪應(yīng)力。

3 結(jié)論

1) 修補(bǔ)塊的材料模量對坑槽的修補(bǔ)結(jié)構(gòu)均有明顯的影響，隨著修補(bǔ)塊彈性模量的增大，修補(bǔ)塊底部和接縫位置主要受壓應(yīng)力作用，橫縫處的剪應(yīng)力作用明顯增強(qiáng)；修補(bǔ)厚度的增大使修補(bǔ)塊底部和橫縫底緣的拉應(yīng)力增大，橫縫處豎直方向剪應(yīng)力也增大，長寬比的變化會引起修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力最大值位置發(fā)生變化。

2)根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，在坑槽修補(bǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的修補(bǔ)材料，確定最佳的修補(bǔ)厚度，隨長寬比的不同調(diào)整施工指標(biāo)，以降低坑槽病害復(fù)發(fā)的可能性，達(dá)到快速高效的養(yǎng)護(hù)目的。