基-面層局部黏結(jié)失效對半剛性基層瀝青路面拉裂破壞的影響分析

包聰靈 許新權(quán) 謝光寧 蔡正森 肖 瑤

(廣東華路交通科技有限公司 廣州 510420)

0 引 言

彈性層狀理論體系作為我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的理論支撐，具有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)[1-2].該理論認(rèn)為瀝青路面各層材料為各向同性的彈性體且各層之間完全連續(xù)[3-4]，但是在攤鋪現(xiàn)場，過渡層局部施工均勻性欠佳、污染、磨損現(xiàn)象會使得層間連續(xù)接觸的狀態(tài)發(fā)生破壞，會使得瀝青路面受力狀態(tài)局部發(fā)生突變，導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生拉裂破壞.彭紅衛(wèi)等[5]調(diào)查和統(tǒng)計(jì)了湖南省高速公路瀝青路面裂縫病害并對其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，認(rèn)為層間接觸不完全連續(xù)是半剛性基層瀝青路面產(chǎn)生拉裂破壞的重要原因之一，但是局部層間黏結(jié)具體會對拉裂破壞有哪些影響并未給出明確結(jié)論.楊慶國等[6-7]認(rèn)為瀝青路面面層和基層間的黏結(jié)狀態(tài)的變化都是從小區(qū)域出發(fā)然后逐漸擴(kuò)展，最終演變成早期病害.但是，對于究竟多大的黏結(jié)失效區(qū)域面積會對瀝青路面拉裂破壞產(chǎn)生顯著影響并沒有明確的論斷.

大多數(shù)學(xué)者以彈性模型進(jìn)行瀝青路面的計(jì)算和研究，少有基于彈塑性理論的分析[8-9].但是把瀝青路面材料視為彈性體與實(shí)際情況存在偏差，瀝青作為柔性材料，在荷載的作用下會產(chǎn)生彈性變形、黏彈性變形及塑性變形，彈性變形在撤銷作用荷載后會恢復(fù)，而塑性變形會在荷載的反復(fù)作用下進(jìn)行積累，因此對于瀝青路面以彈塑性進(jìn)行力學(xué)分析是很有必要的，而且還需考慮重載、超載對瀝青路面的破壞[10].

瀝青路面拉裂破壞主要跟豎向變形和瀝青面層層底拉應(yīng)變相關(guān).文中采用彈塑性理論，建立考慮重載作用的三維彈塑性有限元模型，利用有限元的方法分析了基、面層局部黏結(jié)失效區(qū)域大小和黏結(jié)強(qiáng)度的對瀝青路面拉裂破壞的影響.

1 力學(xué)計(jì)算模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

采用典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式.上、中面層采用SBS改性瀝青混合料規(guī)格分別為AC-13和AC-20；下面層為基質(zhì)瀝青混合料規(guī)格為AC-25；基層和底基層為水穩(wěn)碎石；墊層為級配碎石.為了研究瀝青混凝土層的塑性變形能力，所有瀝青層采用彈塑性本構(gòu)模型，其他各層采用彈性本構(gòu)模型.路面結(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范取值，塑性參數(shù)參照邱陽陽等[11]的研究成果，具體數(shù)值見表1.

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型尺寸和單元選擇

為了模擬路面的受力情況，需要盡可能的增加模型的尺寸使之逼近實(shí)際路面的尺寸，但是模型尺寸過大則會增大計(jì)算的工作量，因此總結(jié)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，本文取模型尺寸為6 m×6 m×6 m.分別采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元和20節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：改變單元類型對力學(xué)結(jié)果影響很小，但是20節(jié)點(diǎn)六面體單元與八節(jié)點(diǎn)六面體單元相比，計(jì)算時間大幅增加，因此，本文取八節(jié)點(diǎn)六面體進(jìn)行計(jì)算.

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

為提高計(jì)算的精度，在Y向(豎向)上，面層網(wǎng)格取0.005 m，水穩(wěn)層網(wǎng)格取0.02 m，墊層取0.04 m，土基取0.1 m；在X向(道路橫向)荷載作用區(qū)域的3倍寬帶范圍內(nèi)取0.005 m，其他區(qū)域取0.05 m；在Z向(行車方向)荷載作用區(qū)域的3倍寬帶范圍內(nèi)取0.005 m，其他區(qū)域取0.05 m.

根據(jù)瀝青路面的受力特點(diǎn)，土基底面完全固定，左右兩面約束X向(道路橫向)的位移，前后兩面約束Z向(行車方向)位移.

1.4 荷載及分析工況

文中考慮重載的作用，取車輪荷載分別為100，200，300 kN，分析不同黏結(jié)失效區(qū)域大小力學(xué)響應(yīng)的影響.在此基礎(chǔ)上，考慮局部黏結(jié)狀態(tài)對各指標(biāo)的影響，見圖1.

圖1 模型及荷載示意圖

為了簡化計(jì)算模型、提高計(jì)算的精度，本文荷載作用的區(qū)域和黏結(jié)失效區(qū)域均為矩形.為了分析黏結(jié)失效區(qū)域大小對力學(xué)響應(yīng)的影響，取黏結(jié)失效區(qū)域的大小分別為完全黏結(jié)(面積為0 m2)、10 cm×10 cm、20 cm×20 cm、40 cm×40 cm和60 cm×60 cm.

為了表征黏結(jié)失效區(qū)域的黏結(jié)強(qiáng)度，引入ABAQUS容許“彈性滑動”的罰磨擦的定義，見圖2.“彈性滑動”是在黏結(jié)的接觸面之間發(fā)生的小量相對移動，ABAQUS會自動選擇罰剛度(虛線的斜率)，并且這個“彈性滑動”是單元特征的很小一部分.

圖2 ABAQUS中“罰”摩擦公式的定義

文中將基層和面層之間的法向磨擦定義為“硬接觸”，即接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力的大小不受限制，當(dāng)接觸壓力變?yōu)樨?fù)值或0時，兩個接觸面發(fā)生分離，并且相應(yīng)結(jié)點(diǎn)上的約束會失效.局部失效的切向摩擦定義為“罰”，其他區(qū)域的接觸定義為綁定即接觸面在整個分析過程中都是始終緊密接觸的，相當(dāng)于將兩個部分定義為一個整體[12].

根據(jù)彭妙娟等[13]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在摩擦系數(shù)在0.1～1.5之間時對力學(xué)響應(yīng)的影響較大，當(dāng)大于1.5時，基面層影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度對力學(xué)響應(yīng)的影響極小，相當(dāng)于完全黏結(jié)，因此本文為表征黏結(jié)失效區(qū)域的黏結(jié)強(qiáng)度，取摩擦系數(shù)分別為0、0.1、0.5、0.8、1.0和1.5.

2 對豎向變形引起的拉裂破壞的影響

豎向變形是引起瀝青路面拉裂破壞的間接原因.當(dāng)基、面層完全黏結(jié)時，路面結(jié)構(gòu)受力對稱，豎向變形在道路橫向上呈對稱分布，當(dāng)基、面層局部黏結(jié)失效時，豎向變形不再對稱分布，存在豎向變形差，此時路面受力不再平衡，不平衡的受力會使得瀝青路面產(chǎn)生拉裂破壞.黏結(jié)失效區(qū)域選在單個車輪的底部，因此在路表取道路橫向過車輪中心的路徑，研究不同基、面層層間局部黏結(jié)狀態(tài)對豎向變形的影響.

2.1 黏結(jié)失效區(qū)域大小的影響

考慮重載的作用，因此取荷載為200 kN，層間黏結(jié)狀態(tài)取完全失效，分析黏結(jié)失效區(qū)域大小對豎向變形引起瀝青路面拉裂破壞的影響.最大豎向變形值和兩車輪荷載中心豎向變形的差值見表2.

表2 黏結(jié)失效區(qū)域大小對豎向變形最大值及車輪中心豎向變形差值的影響

由表2可知：隨著基、面黏結(jié)失效區(qū)域面積的增大，最大豎向變形值和兩車輪中心豎向變形差均逐漸增大；當(dāng)由完全黏結(jié)逐漸擴(kuò)展到60 cm×60 cm時，豎向變形最大值增加12%，兩車輪中心豎向變形差增加3.58×10-2mm，增加程度相對較小.

為了進(jìn)一步研究黏結(jié)失效區(qū)域大小對最大豎向變形的影響，將區(qū)域大小換算成面積，并繪制最大豎向變形隨面積大小的變化規(guī)律圖，見圖3.

圖3 最大豎向變形值隨黏結(jié)失效區(qū)域面積的變化

由圖3可知，最大豎向變形值隨基-面層局部黏結(jié)失效區(qū)域的面積近似呈“S形”分布，當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積小于等于0.04 m2時，面積大小對豎向變形的影響較小，雖然經(jīng)過線性擬合后增長率達(dá)8.192 3，但是整體數(shù)值變化不大；當(dāng)面積大于0.04 m2時，失效面積對豎向變形的影響增大，通過線性擬合可知其增長率高達(dá)16.551 0.說明基、面層黏結(jié)失效區(qū)域在小于0.04 m2時可以忽略其對豎向變形的影響，而當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積大于0.04 m2時應(yīng)引起重視，此時路面產(chǎn)生數(shù)值差別極大的不平衡的豎向位移，在荷載的反復(fù)作用下，不平衡位置極有可能產(chǎn)生拉裂破壞.

2.2 荷載大小的影響

為了說明荷載大小對最大豎向變形的影響，固定局部黏結(jié)失效區(qū)域?yàn)?0 cm×60 cm，層間黏結(jié)完全失效，分析不同軸重對豎向變形的影響，結(jié)果見表3.

表3 軸重對豎向變形最大值及車輪中心豎向變形差值的影響

由表3可知：隨著軸重的增大，最大豎向變形值和兩車輪中心豎向變形差均逐漸增大；當(dāng)軸重為200 kN時，豎向變形最大值和兩車輪中心豎向變形差值與100 kN相比分別增加70%和418%；當(dāng)軸重為300 kN時，豎向變形最大值和兩車輪中心豎向變形差與100 kN相比分別增加151%和881%，說明隨著軸重的增加由豎向變形引起的拉裂破壞程度增大，破壞效果更加明顯.

2.3 黏結(jié)強(qiáng)度的影響

為了單獨(dú)分析黏結(jié)失效區(qū)的黏結(jié)強(qiáng)度對豎向變形的影響，固定軸重為標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN，局部黏結(jié)失效區(qū)域?yàn)?0 cm×60 cm，豎向變形最大值和兩車輪荷載中心的豎向變形差值隨失效區(qū)域間黏結(jié)強(qiáng)度(摩擦系數(shù))的變化規(guī)律見表4.

表4 黏結(jié)強(qiáng)度對豎向變形最大值及車輪中心豎向變形差值的影響

由表4可知，隨著摩擦系數(shù)的增加，最大豎向變形值逐漸減小，且逼近與完全黏結(jié)時的狀態(tài)，說明在一般計(jì)算時，不能簡單的將基面層考慮為完全滑動或完全黏結(jié)狀態(tài).這也從側(cè)面反映出基、面層層間黏結(jié)效果對瀝青路面早期破壞具有較大的影響.隨著基面層黏結(jié)強(qiáng)度的增加，兩車輪中心豎向變形差逐漸減小，且整體而言差值較小，可忽略不計(jì)，說明摩擦系數(shù)對豎向變形引起的拉裂破壞幾乎不存在影響.

3 對面層底拉應(yīng)變引起的拉裂破壞的影響

瀝青各層底拉應(yīng)變作為引起瀝青路面拉裂破壞的直接原因.考慮重載的作用，取軸重為200 kN，對模型進(jìn)行加載，根據(jù)以往研究結(jié)果，沿行車方向的拉應(yīng)變總是大于道路橫向上的拉應(yīng)變.因此，本節(jié)取瀝青層層底行車方向的拉應(yīng)變進(jìn)行分析，總應(yīng)拉變LE33在面層中的分布云圖見圖4.

圖4 總應(yīng)變在瀝青面層中的分布云圖

由圖4可知：總應(yīng)變在車輪荷載作用中心的位置取得最大值，因此，在脫空區(qū)域的一側(cè)，選過車輪荷載中心沿深度方向上的路徑分析不同基、面層層間局部黏結(jié)狀態(tài)對層底拉應(yīng)變的的影響.

3.1 黏結(jié)失效區(qū)域大小對拉裂破壞的影響

考慮重載的作用，取荷載200 kN，分析黏結(jié)失效區(qū)域大小對拉應(yīng)變的影響.總拉應(yīng)變、彈性拉應(yīng)變和塑性拉應(yīng)變在黏結(jié)失效區(qū)一側(cè)車輪荷載中心沿深度方向的路徑上隨失效區(qū)域大小的變化見圖5.

由圖5a)可知，在上面層中，總應(yīng)變主要是壓應(yīng)變，且最大值在路表取得；在中、下面層中，總應(yīng)變主要是拉應(yīng)變；并且當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域大于0.04 m2時，總拉應(yīng)變最大值在中面層底取得，當(dāng)大于0.04 m2時，總拉應(yīng)變最大值在下面層底取得.

圖5 三種應(yīng)變在荷載作用中心沿深度方向的總拉應(yīng)變分布圖

由圖5b)可知，考慮不同的黏結(jié)失效區(qū)域大小，彈性應(yīng)變的變化規(guī)律基本相同.上面層主要是壓應(yīng)變，中、下面層主要是拉應(yīng)變.當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積大于0.04 m2時，上面層頂壓應(yīng)變隨著黏著失效區(qū)域的變化較為顯著；黏結(jié)失效區(qū)域大小為0.36 m2時的壓應(yīng)變最大值為無黏結(jié)失效區(qū)域的1.49倍，為0.16 m2的1.16倍，說明黏結(jié)失效區(qū)域面積在逐漸擴(kuò)展到大于0.04 m2時，對瀝青路面壓密變形影響極為顯著.

由圖5c)可知：上面層中塑性應(yīng)變?yōu)?，塑性拉應(yīng)變主要產(chǎn)在中、下面層中產(chǎn)生.當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積小于0.04 m2時，塑性拉應(yīng)變的最大值在中面層底取得，此時面層的拉伸破壞主要是在中面層產(chǎn)生；當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積大于0.04 m2時，塑性應(yīng)變的最大值在下面層底取得，且隨著黏結(jié)失效區(qū)域面積的增大，塑性拉應(yīng)變顯著增大，當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域?yàn)?.36 m2時，塑性應(yīng)變最大值為481.35×10-6是0.04 m2的1.50倍，是0.01 m2的4.40倍.說明當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積大于等于0.04 m2時，在車輛荷載的作用下，路面的拉裂破壞首先是在下面層產(chǎn)生，隨著荷載的不斷作用，塑性拉應(yīng)變反復(fù)產(chǎn)生積累，黏結(jié)失效區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大，并且向上發(fā)展，最終導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑槽和U形滑移，因此，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要適當(dāng)提高下面層的抗疲勞性能.

3.2 荷載大小拉裂破壞的影響

由3.1可知，黏結(jié)失效區(qū)域大小為60 cm×60 cm時對拉應(yīng)變的影響最大.因此本節(jié)固定局部黏結(jié)失效區(qū)域?yàn)?0 cm×60 cm，分析不同軸重對拉應(yīng)變影響.不同軸重作用下路面各層層底總拉應(yīng)變最大值和塑性拉應(yīng)變最大值見表5～6.

表5 軸重對面層各層層底總應(yīng)變最大值的影響

由表5可知：瀝青路面各層層底總應(yīng)變均為拉應(yīng)變，且隨著軸重的增大，各層層底拉應(yīng)變逐漸增大.說明當(dāng)存在黏結(jié)失效區(qū)域時軸重對下面層總拉應(yīng)變的影響最為顯著，其次是上面層，對中面層的影響最小.但是由于現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，上面層作為磨耗層，一般都采用改性瀝青和力學(xué)性能較好的集料，對下面層一般采用普通瀝青，集料的力學(xué)性能也相對較差，因此當(dāng)存在局部黏結(jié)失效時，由面層引起的拉裂破壞首先是在下面層產(chǎn)生，然后慢慢向上傳遞形成坑槽.

由表6可知：瀝青路面各層層底均產(chǎn)生的受拉的塑性應(yīng)變，且上面層中產(chǎn)生的應(yīng)變最小，下面層產(chǎn)生的應(yīng)變最大.塑性應(yīng)變的疊加是引起瀝青路面拉裂破壞和黏結(jié)失效區(qū)域擴(kuò)展的主要原因，說明隨著軸重的增大，下面層最先產(chǎn)生拉裂破壞，且對軸重的敏感性最強(qiáng).

表6 軸重對面層各層層底塑性應(yīng)變最大值的影響

3.3 黏結(jié)強(qiáng)度對拉裂破壞的影響

為了單獨(dú)分析黏結(jié)失效區(qū)的黏結(jié)強(qiáng)度對拉應(yīng)變的影響，固定軸重為標(biāo)準(zhǔn)軸重100 kN，局部黏結(jié)失效區(qū)域?yàn)?0 cm×60 cm，瀝青下面層層底總拉應(yīng)變、彈性拉應(yīng)變和塑性拉應(yīng)變隨層間黏結(jié)強(qiáng)度(摩擦系數(shù))的變化規(guī)律見圖6.

圖6 下面層底總應(yīng)變最大值隨摩擦系數(shù)的分布圖

由圖6可知：隨著基、面層黏結(jié)強(qiáng)度的增加，彈性應(yīng)變基本保持不變，總應(yīng)變的變化規(guī)律和塑性應(yīng)變的基本相同.隨著摩擦系數(shù)的增大，塑性應(yīng)變占總應(yīng)變的比例逐漸減小，當(dāng)摩擦系數(shù)大于1.0時，塑性應(yīng)變接近于0，此時總應(yīng)變主要由彈性應(yīng)變組成.說明黏結(jié)強(qiáng)度對塑性應(yīng)變引起的瀝青路面的拉裂破壞極為重要，不應(yīng)單純的將基面層之間的黏結(jié)關(guān)系定義為完全黏結(jié)和完全光滑這兩種簡單狀態(tài).此外，也從側(cè)面反映出以彈性模型進(jìn)行路面力學(xué)響應(yīng)計(jì)算時存在較大的誤差.

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積小于0.04 m2時，黏結(jié)失效對豎向位移和車輪荷載中心位移差影響較小，可忽略不計(jì)；當(dāng)黏結(jié)失效區(qū)域面積大于0.04 m2時，隨著荷載的增加，豎向變形最大值和兩車輪荷載中心豎向變形差值都逐漸增大，此時由豎向變形引起的拉裂破壞也逐漸突出.

2) 拉應(yīng)變主要在中、下面層產(chǎn)生，隨著黏結(jié)失效區(qū)域面積的增大，面層各層底拉應(yīng)變最大值由中面層逐漸向下面層轉(zhuǎn)移，即破壞由中面層向下面層逐漸遷徙，總應(yīng)變中塑性應(yīng)變所占的比重也隨之增大.

3) 存在黏結(jié)失效區(qū)域時軸重對下面層總拉應(yīng)變的影響最為顯著，其次是上面層，對中面層的影響最小.但是由于現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，上面層作為磨耗層，一般都采用改性瀝青和力學(xué)性能較好的集料，對下面層一般采用普通瀝青，集料的力學(xué)性能也相對較差，因此當(dāng)存在局部脫空時，由面層引起的拉裂破壞首先是在下面層產(chǎn)生，然后慢慢向上傳遞形成坑槽.

4) 不同軸重作用下，路面各層層底均產(chǎn)生的受拉的塑性應(yīng)變，且上面層中產(chǎn)生的應(yīng)變最小，下面層產(chǎn)生的應(yīng)變最大，塑性應(yīng)變的疊加是引起瀝青路面拉裂破壞和黏結(jié)失效區(qū)域擴(kuò)展的主要原因，說明隨著軸重的增大，下面層最先產(chǎn)生拉裂破壞，且對軸重的敏感性最強(qiáng).

5) 局部黏結(jié)失效區(qū)域的強(qiáng)度對下面層層底拉應(yīng)變的影響極為顯著，隨著強(qiáng)度增加，塑性應(yīng)變所占總應(yīng)變的比例逐漸減小，換言之，當(dāng)基面層完全黏結(jié)時，下面層底不產(chǎn)生拉裂破壞.