移動荷載作用下組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特性分析

林家琛， 吳玉*， 王旭

(1.蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

中國高速公路建設多采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，這種路面結(jié)構(gòu)強度高，剛度大，但易出現(xiàn)收縮開裂和反射裂縫等病害，道路建設迫切需要探索多元化的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式。近年來，中國在吸收國外柔性基層理念的基礎上，提出了組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，其力學特性值得探討。周志剛等[1]對重載交通條件下組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特性的影響因素進行了研究；平樹江[2]就組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的基層適應性、層間處置技術(shù)、瀝青混合料疲勞極限等進行分析，提出了適用于當?shù)氐哪途眯詾r青路面結(jié)構(gòu)；郭芳[3]等基于時間硬化蠕變模型探討了連續(xù)變溫條件下組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍性能；吳玉等[4]分析比較了半剛性基層、倒裝式、組合式3種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)受輪載作用的力學行為；單景松等[5]利用廣義Duhamel積分對移動荷載下彈性層狀體系表面彎沉響應進行了求解；斯文彬[6]通過分析各力學指標在荷載、結(jié)構(gòu)層厚度和結(jié)構(gòu)層模量等因素影響下的規(guī)律，建立了各力學指標與影響因素的關系模型；Chen等[7]開展現(xiàn)場足尺試驗，對重載作用下的組合式瀝青路面動力響應進行研究，提出了應力沿路基深度的衰減模型?？偟膩碚f，上述組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學行為研究大都基于材料靜態(tài)參數(shù)或定點半正弦波荷載。由于路面結(jié)構(gòu)對荷載時變特點具有敏感性，基于材料靜態(tài)參數(shù)的路面結(jié)構(gòu)動載力學分析就不盡合理，而定點半正弦波荷載是將移動荷載簡化為定點加載，雖能模擬荷載大小的時程變化規(guī)律，但卻無法體現(xiàn)移動荷載的空間分布效應，使該加載模式下的組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與實際工程差異較大。鑒于此，該文利用Abaqus有限元軟件，基于移動荷載和路面材料動態(tài)參數(shù)，分析組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同行車速度下的受力特性。同時，結(jié)合正交試驗，進行路面結(jié)構(gòu)層厚度的敏感性分析，進而為組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)設計提供參考。

1 三維有限元分析模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料動態(tài)參數(shù)見表1。

表1 組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料動態(tài)參數(shù)

1.2 移動荷載參數(shù)

荷載采用中國現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設計所用標準軸載，即單軸雙輪組100 kN，荷載參數(shù)如表2所示。為降低有限元網(wǎng)格劃分難度，將輪胎與路面接觸面積簡化為矩形，荷載等效示意圖如圖1所示，簡化后矩形面積為0.184 m×0.192 m[8]。為實現(xiàn)荷載在路面結(jié)構(gòu)上的移動，首先根據(jù)輪胎的作用軌跡沿車輛行駛方向設置長6.144 m的荷載作用帶[9]，然后調(diào)用Fortran語言編寫的用戶子程序DLOAD實現(xiàn)車輛荷載的移動。荷載作用帶沿荷載移動方向被均分為96個單元，每個單元長0.064 m。各速度下的荷載均從荷載作用帶的起點移動到終點，行車速度越快，荷載在輪跡帶上移動時間越短。

表2 荷載參數(shù)

1.3 模型參數(shù)

建立如圖2所示分析模型，其中X、Y、Z方向分別代表道路橫斷面、道路深度和行車方向。模型平面尺寸為12.0 m×6.0 m，路基深度取6.0 m。各結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點六面體完全積分單元C3D8模擬，層間視為完全連續(xù)。邊界條件采用側(cè)面(X方向、Z方向)施加水平約束，路基底面(Y方向)施加固定約束[10-11]。

2 路面結(jié)構(gòu)力學響應分析

以上述模型為基礎，設置20、40、60、80、100、120 km/h共6個車速水平，討論不同行車速度下組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力情況。其中，面層層底拉應變和基層頂面壓應力隨時間變化、剪應力隨道路深度變化的數(shù)據(jù)分析點為輪印中心軌跡線上的峰值出現(xiàn)點，底基層層底拉應力隨時間變化的數(shù)據(jù)分析點為輪隙中心軌跡線上的峰值出現(xiàn)點，且同時提取面層層底拉應變、底基層層底拉應力沿行車和道路橫斷面兩個方向的計算結(jié)果，以二者中較大者為分析對象。

2.1 面層層底拉應變

圖3為不同行車速度下瀝青面層層底應變隨時間的變化。其中應變正值為拉，負值為壓，下文同。

從圖3可以看出：瀝青面層層底在行車荷載駛近和駛離分析點時出現(xiàn)了先受壓后受拉再受壓的突變情況，這種短時間內(nèi)的應變拉壓變化會加速瀝青面層的疲勞開裂破壞。而后，隨著行車荷載駛離分析點，應變逐漸波動向零趨近，且行車速度越慢，瀝青面層經(jīng)歷的應變波動循環(huán)越多，應變恢復的滯后效應越明顯。

取分析點所在道路橫斷面的瀝青面層層底應變進行具體比較。如圖4所示，各行車速度下的瀝青面層層底應變都沿著道路橫向以輪隙中心向兩側(cè)呈“M”形對稱分布。其中，拉應變主要分布在荷載作用區(qū)域，其峰值出現(xiàn)在輪印中心處，且峰值隨著荷載移動速度的增大而減小，速度為120 km/h的面層層底拉應變峰值比速度為20 km/h的面層層底拉應變峰值減小12%。

圖4 面層層底拉應變對比

2.2 基層頂面壓應力

圖5為不同行車速度下瀝青穩(wěn)定碎石基層頂面壓應力隨時間的變化情況。

從圖5可以看出：行車荷載途徑分析點前后，基層頂面壓應力先增大至峰值后減小為零。行車速度越慢，壓應力在基層頂面分析點位置持續(xù)時間越長，瀝青穩(wěn)定碎石基層產(chǎn)生永久變形的可能性越大。為控制瀝青穩(wěn)定碎石基層永久變形的產(chǎn)生和發(fā)展，應減少低速車輛在組合式瀝青路面上的行駛。

圖5 基層頂面壓應力隨時間的變化

取分析點所在道路橫斷面的基層頂面壓應力進行具體比較。如圖6所示，基層頂面壓應力分布形狀相同，即沿著道路橫向呈“W”形對稱分布，應力峰值出現(xiàn)在輪印中心點處，且不同行車速度下壓應力峰值十分接近，說明行車速度對瀝青穩(wěn)定碎石基層頂面壓應力峰值影響較小。

圖6 基層頂面壓應力對比

2.3 底基層層底拉應力

圖7為不同行車速度下水泥穩(wěn)定碎石底基層層底應力隨時間的變化情況。從圖7可以看出：隨著行車荷載駛近和駛離分析點，底基層層底拉應力迅速增大又逐漸減小，峰值出現(xiàn)在荷載通過分析點正上方時。行車速度越慢，底基層層底拉應力持續(xù)時間越長，越容易發(fā)生疲勞開裂。在荷載通過分析點0.10～0.35 s后，底基層層底轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，且呈波動循環(huán)趨向于零。

圖7 底基層層底應力隨時間的變化

取分析點所在道路橫斷面的底基層層底應力進行具體比較。如圖8所示，底基層層底拉應力沿著道路橫向呈倒“V”形對稱分布，最大值出現(xiàn)在輪隙中心點。隨著行車速度逐漸降低，拉應力逐漸增大，尤其是當行車速度從80 km/h降到60 km/h時，底基層層底拉應力增幅較明顯，該增幅為行車速度從120 km/h降到100 km/h底基層層底拉應力增幅的2.5倍。為減少水泥穩(wěn)定碎石底基層疲勞開裂，可將行車速度控制在60 km/h以上。

圖8 底基層層底拉應力對比

2.4 剪應力

不同行車速度下的水平剪應力(S13)和豎向剪應力(S32)如圖9、10所示。

圖9 水平剪應力隨深度變化

圖10 豎向剪應力隨深度變化

從圖9、10可以看出：各速度下的水平剪應力和豎向剪應力沿深度變化的趨勢基本一致，說明行車速度對剪應力的大小和分布影響不大。此外，水平剪應力在路表最大，隨道路深度迅速減小至零后(Y=1.5 cm處)又反向增大至峰值(Y=6.0 cm處)，而后逐漸減小，在瀝青穩(wěn)定碎石基層底部趨近于零。豎向剪應力隨著深度的增加先增大后減小，峰值出現(xiàn)在面層中部(Y=6.0 cm處)。從道路深度方向來看，剪應力峰值及其突變主要集中在面層的上部和中部，在此深度范圍內(nèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)擁包、車轍等破壞現(xiàn)象，因此在組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)設計中應盡可能提高面層上部和中部的抗剪性能，且由于瀝青面層和瀝青穩(wěn)定碎石基層所受剪應力值都偏大，故須特別注意各瀝青層間的黏結(jié)，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層的層間剪切破壞。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

采用數(shù)值分析結(jié)合正交試驗的方法，對組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應進行參數(shù)敏感性分析。行車速度設定為80 km/h，考察指標包括面層層底拉應變、基層頂面壓應力、底基層層底拉應力和豎向剪應力。試驗因素和水平如表3所示，正交試驗設計和計算結(jié)果如表4所示，方差分析如表5所示。

表3 試驗因素和水平

表4 正交試驗組合與計算結(jié)果

從表5可以看出：在顯著性水平α=0.05和α=0.01下，面層厚度對面層層底拉應變、基層頂面壓應力和底基層層底拉應力均有顯著影響，其中面層厚度對基層頂面壓應力的影響極顯著。另外，基層厚度對底基層層底拉應力有顯著影響，底基層厚度對于基層頂面壓應力、底基層層底拉應力有顯著影響。由此可見：優(yōu)化基層和底基層厚度組合有利于減緩組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)生永久變形和反射裂縫，增加面層厚度則可綜合改善組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂、永久變形和反射裂縫的能力。

表5 方差分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 隨著行車荷載的駛近和駛離，面層層底拉應變、基層頂面壓應力、底基層層底拉應力都在短時間內(nèi)迅速變化至峰值，而后逐漸向零衰減，且行車速度越慢，路面結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷力學響應持續(xù)時間越長、波動循環(huán)越多，對路面結(jié)構(gòu)受力越不利。

(2) 行車速度對基層頂面壓應力和剪應力的大小及分布影響不大，但面層層底拉應變和底基層層底拉應力都隨行車速度的增大而減小，為延緩組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂和反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，可將行車速度控制在60 km/h以上。

(3) 剪應力最不利層位為面層上部和中部，為避免路面結(jié)構(gòu)剪切破壞，在組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)設計時應盡可能提高面層上部和面層中部的抗剪性能，且加強各瀝青結(jié)構(gòu)層間的黏結(jié)。

(4) 優(yōu)化基層和底基層厚度組合有利于減緩組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)永久變形和反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增加面層厚度則可綜合改善組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂、永久變形和反射裂縫的能力。