連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式瀝青路面層間接觸對其力學(xué)響應(yīng)影響研究

鄧鳳祥 秦 苗 李 盛 梁曉東

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司1) 長沙 410015) (長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院2) 長沙 410114) (湖南聯(lián)智科技股份有限公司3) 長沙 410019)

0 引 言

公路及城市道路瀝青路面的車轍變形已成為主要的早期病害類型，主要原因有兩個方面：①高溫和重載作用下，瀝青路面的車轍變形必然會較大，尤其是在長大縱坡及車輛起動和制動較頻繁的路段；②部分瀝青結(jié)合料高溫穩(wěn)定性較差或瀝青混合料材料組成設(shè)計不合理，導(dǎo)致瀝青混合料在行車荷載和溫度綜合作用下易發(fā)生側(cè)向剪切流動[1-5].對于連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式瀝青路面(CRC+AC復(fù)合式路面)，施工時瀝青混凝土如果直接攤鋪在連續(xù)配筋水泥混凝土板上，由于AC層和CRC板之間不同于瀝青面層內(nèi)部存在集料的嵌擠作用，僅靠瀝青混合料內(nèi)聚力以及瀝青層與配筋混凝土板間的接觸摩擦來抵抗水平剪力，抗剪能力相對其他路面結(jié)構(gòu)較弱[6-8].且由于CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)特殊和相對復(fù)雜，其力學(xué)響應(yīng)受層間接觸的影響更為顯著.Das等[9]研究發(fā)現(xiàn)黏層類型對剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)最大剪切強度影響顯著.Kruntcheva等[10]通過研究層間接觸與路面結(jié)構(gòu)層間界面抗剪切強度之間的關(guān)系，得出層間連續(xù)或良好的接觸能提高路面結(jié)構(gòu)的層間抗剪強度.彭妙娟等[11-12]指出良好的層間接觸可以有效提高路面抗車轍能力.任少博等[13]研究發(fā)現(xiàn)，對于復(fù)合式路面界面構(gòu)造深度較好時，路面整體抗變形能力明顯提高.紀(jì)小平等[14]研究表明：黏層可有效提高層間抗剪強度，從而提高復(fù)合式路面高溫性能.李盛等[15]分析了三向非均布應(yīng)力下CRC+AC復(fù)合式路面力學(xué)響應(yīng)，但未充分考慮層間接觸對力學(xué)響應(yīng)的影響.

我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理論為彈性層狀體系理論[16]，計算時層間接觸狀態(tài)假設(shè)為完全連續(xù)，與實際路面結(jié)構(gòu)的層間接觸狀態(tài)不一致，特別是用做層間接觸處理的粘層材料類型及用量都會影響層間的接觸水平，如果層間接觸不佳將導(dǎo)致層間界面成為整個路面結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)也將發(fā)生變化，最終加速路面結(jié)構(gòu)服役壽命衰減.文中利用Abqaqus建立瀝青混合料蠕變模型和彈性模型，模擬連續(xù)變溫條件下在不同軸載及層間接觸條件下的剛?cè)釓?fù)合式路面車轍變形，以及不同層間接觸對瀝青面層的力學(xué)響應(yīng)，提升夏季高溫條件下剛?cè)釓?fù)合式路面抗車轍病害及結(jié)構(gòu)設(shè)計水平.

1 CRC+AC復(fù)合式路面有限元模型建立

1.1 路面模型建立

瀝青面層為分上、下兩層的黏彈性材料，其中上面層4 cm的AC-13，下面層為8 cm的AC-25，CRC板厚度24 cm、基層和粒料層分別為36 cm的水泥穩(wěn)定碎石、15 cm的級配碎石.路面結(jié)構(gòu)形式見圖1.

圖1 路面結(jié)構(gòu)示意圖

運用ABAQUS建立三維模型，考慮到荷載和結(jié)構(gòu)的對稱性，可采用1/2模型，模型尺寸：路面寬度(X軸方向)為2 m，路面深度(Y軸方向)為3 m，行車方向(Z軸)長度為3.5 m.采用非均勻網(wǎng)格，面層網(wǎng)格劃分更精細(xì)，面層以下區(qū)域劃分粗糙，見圖2.

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖示

在溫度場計算時單元類型采用DC3D8，其他計算采用C3D8R的單元類型，左右兩側(cè)水平方向約束，模型底部為豎向約束[17].

1.2 路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)確定

結(jié)合文獻[17]和實體工程情況，確定CRC板與基層及土基的參數(shù)，見表1.瀝青層考慮材料的粘彈性，參數(shù)取值見表2.

表1 CRC板、基層和土基材料特性

表2 瀝青層彈性參數(shù)和蠕變參數(shù)

1.3 荷載模型的建立

采用單軸雙輪的BZZ-100豎向均布荷載，每個輪胎的胎面可以等效為0.192 m×0.186 m的矩形，輪胎接地壓強為0.7 MPa，雙輪間距為0.32 m，單側(cè)雙輪中心距路面中線0.91 m[18]，見圖3.

圖3 荷載示意圖

考慮面應(yīng)力影響，面應(yīng)力的大小為豎向均布荷載與水平力系數(shù)的乘積，作用區(qū)域同豎向均布荷載.參考文獻[18]，當(dāng)車輛在緊急制動等不利狀態(tài)行駛時，選取水平力系數(shù)為0.5.

1.4 層間接觸條件設(shè)置

建模時通過Abaqus軟件中的Interaction模塊可以設(shè)置不同的層間接觸條件，路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)用摩阻系數(shù)f來表征.

主要考慮路面結(jié)構(gòu)在瀝青面層和CRC板之間的粘結(jié)情況對面層的車轍影響，因此只設(shè)置一個接觸面，瀝青層底面作為接觸對的主面，CRC板表面作為接觸對的從面.

2 CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)溫度場研究

2.1 溫度場相關(guān)理論

1) 太陽輻射模擬 太陽輻射熱交換的日變化過程可采用函數(shù)近似表示.

(1)

式中：q0為太陽日最大輻射，q0=0.131Qm,Q為太陽日輻射總量，J/m2；m=12/c;ω為角頻率，ω=2π/24，rad；c為實際有效日照時數(shù)，h.

在ABAQUS有限元軟件中通過Load模塊以及子程序DFLUX，實現(xiàn)太陽輻射的數(shù)值模擬.

2) 氣溫及對流熱交換 氣溫變化過程可通過正弦函數(shù)線性組合式模擬.氣溫與對流交換通過ABAQUS有限元軟件中的Interaction模塊與子程序FILM來模擬.

0.14sin(2ω(t-t0))]

(2)

3) 路面有效輻射 路面有效輻射可采用式(3)表征，通過ABAQUS有限元軟件中的Interaction模塊進行定義.

qF=εσ[(θ1|Z=0-θZ)4-(θa-θz)4]

(3)

式中：qF為地面有效輻射，W/(m2·℃)；ε為路面發(fā)射率，取0.81；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，σ=5.669 7×10-8,W/(m2K4)；θ1|Z=0為路表溫度，℃；θa為大氣溫度，℃；θz為赴力學(xué)零度值，℃，θz=-273 ℃.

2.2 溫度場分析

通過有限元三維模型進行傳熱計算，可得到夏季高溫季節(jié)1d24 h內(nèi)CRC+AC復(fù)合式路面各結(jié)構(gòu)層的溫度變化情況.以路面結(jié)構(gòu)沿行車方向的橫斷面為分析對象，提取24 h內(nèi)不同時刻和不同深度處的溫度值，得到CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的溫度場數(shù)據(jù)，見圖4.

圖4 溫度隨深度和時間變化情況

由圖4可知：路面各結(jié)構(gòu)層溫度受大氣溫度及太陽輻射影響，熱量由面層結(jié)構(gòu)逐漸向下部結(jié)構(gòu)傳遞.面層結(jié)構(gòu)直接經(jīng)受外部環(huán)境的作用，加之瀝青混合料對溫度的敏感性較高，因而面層結(jié)構(gòu)的溫度及其變化幅度是最大的.面層結(jié)構(gòu)溫度在上午06:00—12:00急劇升高，在13:00達(dá)到峰值58 ℃，此時路面面層大部分結(jié)構(gòu)處于高溫工作狀態(tài).隨后在14:00至日落前后面層溫度開始顯著下降.而面層以下的CRC板溫度增長相對比較平緩，在18:00左右達(dá)到峰值，約為35 ℃.基層溫度緩慢變化，變化幅度并不大，直至24:00最高溫度仍維持在27 ℃.對于CRC+AC復(fù)合式路面，面層以下的溫度相對比較穩(wěn)定.由此可見，路面面層結(jié)構(gòu)對環(huán)境溫度及太陽輻射較為敏感，面層溫度會隨著氣溫及日照的強度呈現(xiàn)較大幅度的變化.

3 層間接觸對車轍及力學(xué)響應(yīng)的影響分析

3.1 層間接觸對車轍的影響分析

影響路面車轍的主要原因包括汽車荷載的頻繁加載和卸載，蠕變模型分析中不僅要考慮材料參數(shù)，還要考慮荷載作用時間.通過將路面結(jié)構(gòu)所承受的多次荷載等效為汽車荷載累計作用時長，實現(xiàn)汽車荷載多次作用的模擬.荷載累計作用時間為

(4)

式中：t為輪載累計作用時間，s；N為輪載作用次數(shù)，次；P為車輛軸重，100 kN；nw為軸的輪數(shù)，四個；p為輪胎接地壓力，700 MPa；B為輪胎接地寬度，21.3 cm；V為行車速度，80 km/h.

表3為不同軸載作用次數(shù)對應(yīng)的累計作用時間.

表3 不同軸載作用次數(shù)對應(yīng)的累計作用時間

瀝青面層與CRC板的層間接觸狀態(tài)用可用摩擦系數(shù)f來表示，取值為0～1之間，當(dāng)f=1時，為完全連續(xù)的層間接觸狀態(tài)，當(dāng)f=0時，為完全光滑的層間接觸狀態(tài).目前實體工程中一般會對瀝青面層與CRC板的層間用同步碎石封層進行處理，所以文章研究層間接觸狀態(tài)對瀝青面層車轍深度的影響，不考慮完全光滑的層間接觸狀態(tài)，f值分別取0.1，0.3，0.5，0.7，1.0.不同層間接觸情況和軸載作用次數(shù)對車轍深度的影響見圖5.

圖5 車轍深度與軸載作用次數(shù)及層間接觸的關(guān)系

由圖5可知：隨軸載作用次數(shù)增加，車轍變形逐漸增大，且增量逐漸減少最后趨于穩(wěn)定.瀝青面層和CRC板之間的層間接觸由完全連續(xù)到不完全連續(xù)時，隨層間摩阻系數(shù)減小，車轍變形不斷增大.以軸載作用次數(shù)250萬次為例，f=0.7的車轍深度相對連續(xù)的增量為1.8%，f=0.5相對增量為5.6%，f=0.3相對增量為15.5%，f=0.7相對增量為29.4%.改善復(fù)合式路面瀝青面層與CRC板的層間接觸可有效減少車轍.

3.2 層間接觸對力學(xué)響應(yīng)分析

CRC+AC復(fù)合式路面瀝青面層車轍破壞與面層內(nèi)部應(yīng)力大小和分布情況密切相關(guān).計算不同接觸狀態(tài)下的力學(xué)指標(biāo)時，根據(jù)計算結(jié)果和路面的受力特點，輪跡中心的豎向應(yīng)力較大，輪跡后端的縱向應(yīng)力較大，輪隙處有較大的橫向應(yīng)力，荷載邊緣的剪應(yīng)力較大.因此計算豎向應(yīng)力選輪跡中心為計算點位，計算縱向應(yīng)力選輪跡后端為計算點位，計算剪應(yīng)力時取輪跡外側(cè)邊緣為計算點位，以軸載作用次數(shù)為250萬次為例.結(jié)果見圖6.

圖6 不同瀝青層層位的豎向應(yīng)力

由圖6可知：在行車荷載作用下，CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓應(yīng)力由瀝青層表面逐步向下擴散傳遞，到基層底部壓應(yīng)力峰值變得較小.路表壓應(yīng)力在不同層間接觸條件下應(yīng)力峰值相差不大，而上面層底壓應(yīng)力在f=0.1條件下相較于f=1時增長了14.15%，下面層底壓應(yīng)力在f=0.1條件下相較于f=1時增長了23.23%.瀝青面層與CRC板的層間接觸條件對靠近CRC板的面層壓應(yīng)力影響更大.

計算縱向應(yīng)力(σz)在深度方向的分布、橫向應(yīng)力(σx)在深度方向的分布，分析層間接觸對瀝青面層內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，結(jié)果見圖7.

圖7 縱、橫向應(yīng)力沿路表深度分布

由圖7可知：瀝青面層與CRC板之間的層間無論是完全連續(xù)還是摩擦接觸時，縱向拉應(yīng)力與橫向拉應(yīng)力沿深度的變化規(guī)律大體一致.瀝青表面層縱向拉應(yīng)力在瀝青面層與CRC板層間不連續(xù)與完全連續(xù)時相比最大應(yīng)力增加了30.4%，瀝青下面層底層縱向拉應(yīng)力在瀝青面層與CRC板層間不連續(xù)與完全連續(xù)時相比最大應(yīng)力減小了31.6%，AC層與CRC板層間的不連續(xù)引起的最大縱向拉應(yīng)力變化較為明顯.不同的層間接觸條件下，對AC層的表面層橫向拉應(yīng)力影響更大，瀝青表面層橫向拉應(yīng)力在瀝青面層與CRC板層間不連續(xù)與完全連續(xù)時相比最大應(yīng)力增大了31.0%，在距路表0.08 m以下的面層橫向拉應(yīng)力大小接近一致.因此,不同的AC層與CRC板層間接觸狀態(tài)對于沿路表深度縱向拉應(yīng)力分布影響較大，而對于橫向拉應(yīng)力的影響主要集中靠近表面層.

橫向剪應(yīng)力是導(dǎo)致路面產(chǎn)生車轍病害的主要原因.計算不同層間接觸狀態(tài)下橫向剪應(yīng)力(τyz)在深度方向上的分布，結(jié)果見圖8.

圖8 橫向剪應(yīng)力沿路表深度分布

由圖8可知：對于CRC+AC復(fù)合式路面，層間接觸狀態(tài)對界面層可能出現(xiàn)的橫向剪應(yīng)力峰值(τyz max)有較大影響.在面層連續(xù)的情況下，上面層深度范圍內(nèi)，橫向剪應(yīng)力在路表下1～4 cm處出現(xiàn)峰值.當(dāng)接觸系數(shù)f=0.1時，瀝青面層和CRC板的界面層可能出現(xiàn)的橫向剪應(yīng)力峰值只有0.045 MPa，是完全接觸時的25%；當(dāng)接觸系數(shù)f=0.7時，瀝青面層和CRC板的界面的橫向剪應(yīng)力峰值為0.188 MPa，為層間完全接觸時的98%；層間接觸越好，層間界面的橫向剪應(yīng)力峰值越大，說明層間接觸良好可更好地傳遞行車荷載的水平力作用，有利于減小瀝青面層的剪切開裂.

4 結(jié) 論

1) 隨軸載作用次數(shù)增加，車轍變形逐漸增大，且增量逐漸減少最后趨于穩(wěn)定；隨層間摩阻系數(shù)減小，車轍變形不斷增大，即層間接觸差則車轍變形更大.

2) 瀝青面層的壓應(yīng)力隨著摩擦系數(shù)的增大而減小，且瀝青面層與CRC板的層間接觸狀況對靠近CRC板的下面層壓應(yīng)力影響更大，瀝青面層的層間接觸狀態(tài)越好，越不容易產(chǎn)生壓密型車轍.

3) 瀝青面層與CRC板之間的層間無論是完全連續(xù)還是摩擦接觸時，縱向拉應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力沿深度的變化規(guī)律大致相同；不同的接觸狀態(tài)，對于沿路表深度縱向拉應(yīng)力分布影響較大，而對于橫向拉應(yīng)力的影響主要集中靠近表面層.

4) 當(dāng)接觸系數(shù)f=0.1時，界面層τyz max=0.045 MPa是完全接觸時的25%；當(dāng)接觸系數(shù)f=0.7時，界面層τyz max=0.188 MPa是完全接觸時的98%，良好的層間接觸可以更好地傳遞車輛荷載的水平作用力，有利于減小瀝青面層的剪切開裂.