面層層間結(jié)合狀況對(duì)倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

唐亮， 李雙喜， 姚康

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

現(xiàn)行瀝青路面以彈性層狀體系理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，此理論假設(shè)各結(jié)構(gòu)層連續(xù)成整體，為實(shí)現(xiàn)這一理論可采用在各結(jié)構(gòu)層之間鋪灑黏層油、雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)等手段，但在施工過(guò)程中分層鋪筑、分層壓實(shí)易受自然或人為因素影響導(dǎo)致層間界面受到污染或碾壓不密實(shí)，并且黏層油劑量、溫度也會(huì)影響?zhàn)そY(jié)質(zhì)量。因此在實(shí)際工程中難以達(dá)到各結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)的設(shè)計(jì)初衷。

同時(shí)在行車荷載反復(fù)作用下，加快了層間界面的破壞，引發(fā)的病害也不容小覷。在日本，經(jīng)常報(bào)道因制動(dòng)和轉(zhuǎn)向使機(jī)場(chǎng)路面層間失去黏結(jié)，造成機(jī)場(chǎng)路面出現(xiàn)故障；在法國(guó)，因?qū)娱g結(jié)合問(wèn)題影響了5%的公路網(wǎng)。對(duì)于層間結(jié)合研究多采用試驗(yàn)手段與數(shù)值模擬方式。馮德成通過(guò)直剪試驗(yàn)，得到基-面層層間灑布透層油后可提高65%～78%的黏性；趙艷玲等利用試驗(yàn)及有限元軟件Abaqus，研究半剛性路面基-面層結(jié)合狀況對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響；羅要飛等運(yùn)用Bisar3.0研究面層層間結(jié)合狀況和基-面層層間結(jié)合對(duì)半剛性基層瀝青路面力學(xué)性能及疲勞壽命的影響。以上試驗(yàn)研究多開(kāi)展直剪、斜剪探討層間結(jié)合問(wèn)題，無(wú)法直接與瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)、力學(xué)性能相呼應(yīng)；在數(shù)值模擬方面多考慮基-面層層間結(jié)合問(wèn)題，對(duì)瀝青面層層間結(jié)合問(wèn)題研究甚少，并且采用的力學(xué)指標(biāo)、計(jì)算點(diǎn)位分析過(guò)少并不能完全描述層間結(jié)合對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響。

鑒于此，該文嘗試使用Bisar3.0，考慮3層式瀝青面層層間均完全連續(xù)(工況1)、瀝青面層層間均完全滑動(dòng)(工況2)、上-中面層層間完全滑動(dòng)(工況3)與中-下面層層間完全滑動(dòng)(工況4)共4種工況，分析模擬面層層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。

2 分析模型建立

輪載采用單軸雙輪垂直均布荷載，即雙輪組單軸載100 kN ，輪胎接地壓強(qiáng)p=0.70 MPa，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d=21.30 cm，兩輪中心距為31.95 cm。以路表雙輪輪隙中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo)體系，其中X、Y、Z向分別為行車方向、道路橫斷面方向和道路深度方向。計(jì)算點(diǎn)位選擇方面，為提高計(jì)算精度，便于利用第三方軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果予以更精細(xì)全面的可視化描述，以規(guī)范4個(gè)計(jì)算點(diǎn)位為基礎(chǔ)，在輪隙與輪載作用區(qū)域處以0.125d為間距，進(jìn)一步增密計(jì)算點(diǎn)位至200個(gè)點(diǎn)，具體見(jiàn)圖1，其中Ai，Bi，…，Ti為各結(jié)構(gòu)層計(jì)算點(diǎn)位。

該文背景工程為四川省成德南高速公路鋪設(shè)的倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)K170+018 ～ K170+918試驗(yàn)段之一參考文獻(xiàn)[12]，其結(jié)構(gòu)為瀝青穩(wěn)定碎石與骨架密實(shí)級(jí)配碎石為基層、水泥穩(wěn)定碎石為底基層，瀝青面層由SMA-13、AC-20C和AC-25C共3層組成。受Bisar3.0軟件材料模型所限，視各結(jié)構(gòu)層均為理想線彈性體，其動(dòng)態(tài)壓縮模量E、泊松比μ和厚度分別見(jiàn)圖1(b)中所列。

圖1 分析模型

在Bisar程序中，可設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)剪切彈簧柔量AK或縮減剪切彈簧柔量ALK不同數(shù)值來(lái)描述層間結(jié)合狀況，其中標(biāo)準(zhǔn)剪切彈簧柔量被定義為上下兩層之間的相對(duì)水平位移與作用于界面上的應(yīng)力之比(單位：m3/N)，它與摩擦系數(shù)(無(wú)量綱)α有如下關(guān)系：

(1)

式中：α為摩擦系數(shù)(無(wú)量綱)，0≤α≤1；AK為剪切彈簧柔量；a為荷載半徑；μ為該層的泊松比。

層間摩擦系數(shù)α與加載半徑和材料參數(shù)相關(guān)，與經(jīng)典摩擦系數(shù)有本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)α=0 時(shí)表示完全連續(xù)，α=1時(shí)表示完全光滑。該文分別取摩擦系數(shù)α=0、0.99來(lái)表征層間結(jié)合狀態(tài)完全連續(xù)、完全光滑。根據(jù)式(1)，當(dāng)上-中面層層間完全連續(xù)、完全滑動(dòng)時(shí)剪切彈簧柔量AK分別為0、1.198×10-9m3/N，當(dāng)中-下面層層間完全連續(xù)、完全滑動(dòng)時(shí)剪切彈簧柔量AK分別為0、9.414×10-9m3/N。同時(shí)假設(shè)基層-面層、路基-基層層間均為完全連續(xù)，僅考慮3層式瀝青面層的層間接觸狀況處于完全連續(xù)或完全滑動(dòng)，分析工況包括4種：各結(jié)構(gòu)層層間均完全連續(xù)；上-中面層層間完全滑動(dòng)，其他結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)；中-下面層層間完全滑動(dòng)，其他結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)；上-中-下面層層間均完全滑動(dòng)，其他結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)。

因研究對(duì)象為倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)，該種路面結(jié)構(gòu)基層為瀝青穩(wěn)定碎石與骨架密實(shí)級(jí)配碎石、底基層為水泥穩(wěn)定碎石，按照中國(guó)現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，需同時(shí)對(duì)瀝青混合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)變、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底沿行車方向水平拉應(yīng)力、瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應(yīng)變進(jìn)行分析，下面分別就4種工況對(duì)各力學(xué)指標(biāo)的影響予以詳細(xì)闡述。

3 瀝青混合料層底拉應(yīng)變

圖2為x=0處倒裝式瀝青路面在不同面層層間結(jié)合條件下，瀝青混合料層橫向剖面圖。從圖2可以看出：瀝青混合料層層底應(yīng)變均以輪隙中心處為軸呈對(duì)稱狀分布，當(dāng)各面層層間均完全連續(xù)時(shí)，瀝青混合料層沿行車方向水平應(yīng)變呈開(kāi)口狀波浪式分布，而只要瀝青面層層間存在一個(gè)界面或兩個(gè)界面完全滑動(dòng)，則表現(xiàn)為封閉泡狀分布。在面層層間均完全連續(xù)的工況下，拉應(yīng)變集中于下面層和基層，最大值出現(xiàn)于基層，大小約為34.46×10-6。在上-中面層層間完全滑動(dòng)工況下，拉應(yīng)變集中分布于上面層和基層，最大值出現(xiàn)在基層，大小約為41.29×10-6，在中-下面層層間完全滑動(dòng)的工況下，拉應(yīng)變集中分布于中面層與基層，最大值出現(xiàn)在基層，大小約為49.37×10-6。當(dāng)面層層間均完全滑動(dòng)工況下，拉應(yīng)變集中于上面層、中面層與基層，同時(shí)“封閉泡狀”并非是2、3工況的簡(jiǎn)單疊加，水平拉應(yīng)變主要集中于上、中面層，但最大值出現(xiàn)在基層，大小約為55.82×10-6，相對(duì)于面層層間均完全連續(xù)的工況下，工況2、3、4瀝青混合料層底最大拉應(yīng)變分別增大約19.8%、43.27%、61.98%。以上分析表明：隨著瀝青面層層間結(jié)合狀態(tài)的改變，在面層層間均完全滑動(dòng)的工況下拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最快；瀝青混合料層沿行車方向水平應(yīng)變的分布形態(tài)、規(guī)律發(fā)生重大變化，對(duì)于倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)相對(duì)最危險(xiǎn)的區(qū)域?yàn)闉r青穩(wěn)定碎石基層，而并非簡(jiǎn)單地始終為瀝青下面層層底，因此需在不同面層結(jié)合狀況下對(duì)瀝青混合料層疲勞開(kāi)裂進(jìn)行驗(yàn)算。

圖2 瀝青混合料層沿行車方向水平應(yīng)變分布(單位：×10-6)

4 無(wú)機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力

因倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)底基層為無(wú)機(jī)結(jié)合料，不同面層層間結(jié)合條件下無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底沿行車方向水平應(yīng)力的空間分布云圖如圖3所示，從總體來(lái)看四者空間形態(tài)相似，呈對(duì)稱分布，均呈“單峰型”，存在唯一極值都位于雙輪輪隙中心處，4種面層層間結(jié)合狀態(tài)下的無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底均以拉應(yīng)力為主。不同的面層層間結(jié)合條件對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料沿行車方向水平拉應(yīng)力的空間分布形態(tài)影響甚小。

圖3 無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)力的空間分布

為進(jìn)一步分析不同面層層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力的影響，選取無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底沿橫斷面X=0處進(jìn)行具體分析，如圖4所示。

圖4 X=0處無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)力分布

從圖4可以看出：在不同面層層間結(jié)合狀況下，由于輪載的疊加效應(yīng)，致使最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在雙輪輪隙中心處并呈“上凸?fàn)睢狈植夹螒B(tài)。隨著面層層間結(jié)合狀態(tài)的改變無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底應(yīng)力也發(fā)生變化，無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底在不同工況下拉應(yīng)力值由小到大的排序?yàn)椋好鎸訉娱g均完全連續(xù)<上-中面層層間完全滑動(dòng)<中-下面層層間完全滑動(dòng)<面層層間均完全滑動(dòng)，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力分別為：0.189 1、0.213 2、0.265 7、0.277 1 MPa，相對(duì)于面層層間完全連續(xù)工況，后三者分別增大約12.7%、40.51%、46.54%。以上分析表明：對(duì)于倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)在面層層間出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)應(yīng)力在不斷增大，且在中-面層層間完全滑動(dòng)與面層層間完全滑動(dòng)的工況應(yīng)力增長(zhǎng)最快，因此相對(duì)于其他兩種工況，中-面層層間完全滑動(dòng)與面層層間完全滑動(dòng)更容易出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂破壞。

5 瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力

瀝青混合料層的永久變形量通過(guò)瀝青混合料各分層頂面的豎向壓應(yīng)力予以表征。依據(jù)規(guī)范將上、中面層更精細(xì)以20 mm為一層，下面層以40 mm為一層，瀝青碎石基層為最后一層，繪制在不同面層層間結(jié)合條件下X=0處橫向剖面圖各分層頂面的豎向壓應(yīng)力分布，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：4種層間結(jié)合狀況下空間分布形態(tài)較為相似，都以雙輪輪隙為中心呈對(duì)稱分布，因輪載作用下應(yīng)力發(fā)生了擴(kuò)散，輪載中心分布著極值且壓應(yīng)力集中分布于輪載中心處并按深度方向逐漸減少，相反由于擴(kuò)散作用導(dǎo)致雙輪輪隙中心處由拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力并沿深度方向逐步增加。

圖5 X=0處瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力的分布(單位：MPa)

面層層間不同結(jié)合狀態(tài)對(duì)瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力的影響在單輪荷載中心處變化范圍尤為明顯，現(xiàn)選取道路橫斷面單輪荷載中心處(即Y=0.159 8 m處)，繪制4種面層層間結(jié)合條件下瀝青混合料層各分層頂面豎向壓應(yīng)力的分布情況，如圖6所示，盡管4條曲線略有交叉，只要瀝青面層層間存在滑動(dòng)都會(huì)增大瀝青混合料豎向壓應(yīng)力，但從整體上看， 豎向壓應(yīng)力的分布由高到低依次為瀝青面層層間均完全滑動(dòng)、上-中面層層間完全滑動(dòng)、中-下面層層間完全滑動(dòng)、瀝青面層層間均完全連續(xù)。說(shuō)明面層層間結(jié)合不良時(shí)，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青混合料層抵抗永久變形能力降低，面層完全連續(xù)工況下瀝青混合料層抵抗永久變形能力優(yōu)于面層層間不良結(jié)合工況，由此在面層層間結(jié)合不良的工況下車轍等永久變形病害相對(duì)更為嚴(yán)重。

圖6 Y=0.159 8 m處瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力沿道路深度分布

6 路基頂面豎向壓應(yīng)變

圖7為不同面層層間結(jié)合條件下，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)路基頂面豎向壓應(yīng)變的空間分布云圖。由圖7可見(jiàn)：四者總體上較為相似，都呈“盆狀”分布且沿道路深度方向向下凹陷，整個(gè)路基頂面都呈現(xiàn)豎向壓應(yīng)變，且唯一頂點(diǎn)位于雙輪輪隙中心處，不同面層層間結(jié)合條件對(duì)路基頂面豎向壓應(yīng)變空間分布形態(tài)影響較小。

圖7 路基頂面豎向壓應(yīng)變的空間分布

為進(jìn)一步分析不同面層層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)路基頂面豎向壓應(yīng)變的影響，繪制路基頂面豎向壓應(yīng)變沿行車方向X=0處分布情況如圖8所示。由圖8可見(jiàn)：雖然面層層間結(jié)合狀況對(duì)路基頂面豎向壓應(yīng)變有影響，但由于荷載傳遞到路基的應(yīng)力發(fā)生了擴(kuò)散，在4種工況下路基頂面壓應(yīng)變?cè)诤奢d作用區(qū)域和輪隙區(qū)域并無(wú)突變，路基頂面豎向壓應(yīng)變都呈現(xiàn)下凹“單峰狀”，最大值都分布在雙輪輪隙中心，且從雙輪輪隙中心處向兩側(cè)應(yīng)變值逐漸減少。對(duì)于面層層間均完全連續(xù)、上-中面層層間完全滑動(dòng)、中-下面層層間完全滑動(dòng)與面層層間均完全滑動(dòng)的工況，路基頂面豎向壓應(yīng)變最大值分別為-53.61×10-6、-58.9×10-6、-70.65×10-6、-73.02×10-6，相較于瀝青面層層間均完全連續(xù)，上-中面層層間完全滑動(dòng)、中-下面層完全滑動(dòng)和面層層間均完全滑動(dòng)，路基頂面豎向最大壓應(yīng)變分別增大了9.86%、31.8%、36.2%，面層層間完全滑動(dòng)時(shí)更容易出現(xiàn)因路基永久變形而引起的車轍病害，其后依次為中-下面層層間完全滑動(dòng)、上-中面層層間完全滑動(dòng)。當(dāng)瀝青面層層間兩個(gè)界面均完全滑動(dòng)時(shí)，路基頂面豎向壓應(yīng)變并非上-中面層層間完全滑動(dòng)與中-下面層層間完全滑動(dòng)兩者簡(jiǎn)單的等權(quán)重線性疊加，中-下面層層間結(jié)合狀態(tài)所造成的不利影響超過(guò)上-中面層層間結(jié)合狀態(tài)，工程實(shí)踐中從控制因路基頂面豎向壓應(yīng)變過(guò)大而誘發(fā)的車轍病害角度出發(fā)，不僅需要考慮面層層間完全滑動(dòng)情況，還需重視瀝青中-下面層界面結(jié)合狀態(tài)的改善與提高。

圖8 X=0處路基頂面豎向壓應(yīng)變的分布

7 與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

前文已詳細(xì)描述了倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同面層層間結(jié)合條件下瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無(wú)機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)結(jié)合文獻(xiàn)[9]、[13]研究成果與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面進(jìn)行比較，分析不同面層層間結(jié)合條件對(duì)兩種路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，結(jié)果如表1、2所示。

表1 不同面層層間結(jié)合條件下各路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)變及其位置

由表1可見(jiàn)：對(duì)于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在面層層間均完全連續(xù)、上-中面層層間完全滑動(dòng)、中-下面層層間完全滑動(dòng)的工況，瀝青混合料層層底最大拉應(yīng)變分別出現(xiàn)在中面層、上面層、中面層，然而倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)，無(wú)論何種面層層間結(jié)合狀態(tài)下相對(duì)最危險(xiǎn)的區(qū)域?yàn)闉r青穩(wěn)定碎石基層，這是由于該結(jié)構(gòu)基層部分為級(jí)配碎石，整體剛度低于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)；由表2可見(jiàn)：半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)當(dāng)面層層間均完全連續(xù)、上-中面層層間完全滑動(dòng)、中-下面層層間完全滑動(dòng)的工況，無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在雙輪輪隙中心，其分布規(guī)律與倒裝式瀝青路面在不同面層層間結(jié)合狀況下無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力類似，隨著面層層間出現(xiàn)滑動(dòng)無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層拉應(yīng)力不斷增大；綜合表1、2可見(jiàn)：倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在中-下面層層間完全滑動(dòng)工況時(shí)，瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無(wú)機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力最大，更易導(dǎo)致路面出現(xiàn)破壞，因此對(duì)于這兩種路面結(jié)構(gòu)均需注意中-下面層層間黏結(jié)的增強(qiáng)措施。

表2 不同面層層間結(jié)合條件下各路面結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層最大拉應(yīng)力

8 結(jié)論

考慮4種面層層間結(jié)合狀況對(duì)倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響并與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)對(duì)比，得到如下結(jié)論：

(1) 瀝青混合料層水平拉應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在瀝青穩(wěn)定碎石基層層底，而并非始終為瀝青下面層層底，面層層間均完全滑動(dòng)的工況并非上-中面層層間完全滑動(dòng)與中-下面層完全滑動(dòng)工況簡(jiǎn)單線性疊加。

(2) 瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變，受面層層間滑動(dòng)的影響排序?yàn)槊鎸訉娱g均完全滑動(dòng)>中-下面層層間完全滑動(dòng)>上-中面層層間完全滑動(dòng)；瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力，受面層層間均完全滑動(dòng)的影響最大，上-中面層層間滑動(dòng)的影響超過(guò)中-下面層層間滑動(dòng)的影響。

(3) 倒裝式瀝青路面與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在中-下面層層間完全滑動(dòng)的工況，瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無(wú)機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力最大，在此工況更易出現(xiàn)車轍、疲勞開(kāi)裂破壞。