氣態(tài)水對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)模擬研究

李 鍵, 羅傳熙, 崔浩斌

(1.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司, 廣州 510641; 2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 長沙 410114)

隨著交通行業(yè)的迅猛發(fā)展,公路建設(shè)規(guī)模也得到了極大的提高。瀝青路面因其行車舒適性好、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)成為我國高速公路最常用的面層鋪裝形式[1-2], 其設(shè)計及壽命預(yù)測對我國道路事業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用,且瀝青路面處于復(fù)雜的服役環(huán)境中,結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)與環(huán)境因素息息相關(guān)[3],因此,充分考慮服役環(huán)境因素并進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)計算顯得尤為重要。宋福春[4]等利用COMSOL有限元軟件,驗證了面層內(nèi)部水反復(fù)泵吸現(xiàn)象是導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)水損害的根本原因。周志剛[5]等采用非線性有限元算法,揭示了非線性滲流比線性滲流產(chǎn)生的水損害更為嚴(yán)重。藏振宇[6]通過移動荷載作用下的有限元模型,分析飽和瀝青路面水力損傷機(jī)制,發(fā)現(xiàn)瀝青面層深度0.05 m范圍內(nèi)容易出現(xiàn)水力損傷。已有研究多是針對液態(tài)水對路面力學(xué)的響應(yīng)展開的,并未考慮水氣對路面力學(xué)及疲勞壽命的影響,而大量干旱少雨地區(qū)仍出現(xiàn)的水損害現(xiàn)象[8],表明氣態(tài)水對路面結(jié)構(gòu)影響同樣巨大,這一影響因素長期未受到重視。且路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部不是單一、均勻分布的水氣濃度,實則為非均勻水氣濃度場[9-10],引起路面材料模量呈非均勻分布,進(jìn)而導(dǎo)致計算得到的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)及疲勞壽命與實際不符。基于此,本文研究非均勻水氣濃度場及單一水氣濃度作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)響應(yīng),以應(yīng)變、應(yīng)力等指標(biāo)量化水氣濃度場對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響,進(jìn)一步通過室內(nèi)試驗驗證被水氣侵蝕的瀝青混合料疲勞壽命下降趨勢,為瀝青路面材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考與補(bǔ)充。

1 模型建立

1.1 材料參數(shù)

依托銀洲湖高速公路工程項目,路面組合結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用ABAQUS有限元軟件建立模型,模型尺寸為6 m×8 m×3 m,各層層間完全連續(xù),路面模型四周法向約束,底面完全約束。結(jié)構(gòu)各層材料中,面層采用黏彈性材料定義,基層及土基等采用彈性材料定義,相關(guān)數(shù)據(jù)參考潘雁石[11],如表1和表2所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料參數(shù)定義

表2 瀝青混合料黏彈性參數(shù)

1.2 荷載及分析步定義

目前瀝青路面設(shè)計規(guī)范將車輪荷載簡化為當(dāng)量圓形均布荷載[12],標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN,輪胎接觸壓力P=0.7 MPa,采用雙輪組車軸,每一側(cè)輪載用兩個直徑為0.213 m的當(dāng)量圓表示。荷載設(shè)置為半正弦波型動態(tài)荷載,即

(1)

式中:P(t)為荷載隨時間變化值;Pmax為均布荷載作用值,即0.7 MPa;T為荷載作用時間。以車速100 km/h為例,荷載作用時間為0.046 s,計算并繪荷載隨時間變化的曲線如圖2所示。該模型計算動載作用下的黏彈性響應(yīng),因此采用黏性分析步。

圖2 荷載隨時間變化曲線

1.3 預(yù)定義場設(shè)置

1.3.1 溫度場

溫度對瀝青路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有較大影響,當(dāng)研究水氣濃度的影響時,需要控制不同條件下溫度場相同。在進(jìn)行預(yù)定義場設(shè)置時,調(diào)用廣州夏季某天環(huán)境條件參數(shù),以最不利條件為例,即路面結(jié)構(gòu)整體溫度最高時刻作為預(yù)定義溫度場時刻,進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算。各層溫度極值發(fā)生在13:00—19:00 時,此時的溫度數(shù)據(jù)如表3所示。為了分析最不利溫度場,采取歸一化的方法,將表3中各層底溫度值除以溫度極值并求和,得到路面結(jié)構(gòu)溫度歸一化系數(shù)。由表3中計算的歸一化參數(shù)可知,14:00和15:00十分接近。但14:00時路面結(jié)構(gòu)上面層和中面層溫度更高,因此選取14:00為最不利溫度場時刻。

表3 13:00—19:00不同深度位置處溫度

1.3.2 水氣濃度場

選取最不利溫度場時刻對應(yīng)的水氣濃度場,即14:00水氣濃度場作為路面結(jié)構(gòu)實際的非均勻水氣濃度場。針對常規(guī)方法,研究發(fā)現(xiàn),未經(jīng)水氣養(yǎng)生處理的AC-13C、AC-20C混合料試件內(nèi)部相對濕度(20 ℃)均在40%左右[13],即將內(nèi)部水氣濃度設(shè)為7 g/m3。

1.4 模型運(yùn)算原理及計算點(diǎn)選取

導(dǎo)入預(yù)定義場后,提交模型運(yùn)算。此時,面層各層單元網(wǎng)格首先讀取預(yù)定義溫度場和水氣濃度場,根據(jù)所處位置名稱在UTRS子程序中選擇對應(yīng)的參數(shù)計算位移距離,根據(jù)荷載頻率計算模量值用于后續(xù)模擬。結(jié)合荷載和邊界條件模擬計算水氣影響下的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng),取值點(diǎn)如圖3所示,圖中d為車輪直徑,取18.9 cm,調(diào)取該位置路面結(jié)構(gòu)深度方向上應(yīng)變、應(yīng)力值進(jìn)行分析。

圖3 路面結(jié)構(gòu)荷載作用圖

2 瀝青路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)各層底應(yīng)變分析

2.1.1 水平應(yīng)變

A點(diǎn)與B點(diǎn)下方各結(jié)構(gòu)層底水平應(yīng)變峰值對比如圖4所示。水氣濃度使得面層模量衰減后,造成各結(jié)構(gòu)層的水平應(yīng)變增大,上面層尤其嚴(yán)重,其水平應(yīng)變峰值增大了110.68%,且為拉應(yīng)變,易引發(fā)疲勞開裂,同時基層水平應(yīng)變增大,同樣也會加大基層開裂的風(fēng)險。B點(diǎn)各結(jié)構(gòu)層在受到非均勻水氣濃度影響后應(yīng)變同樣增大,但程度小于A點(diǎn)。

圖4 水氣濃度影響下路面A點(diǎn)(左圖)與B點(diǎn)(右圖)最大水平應(yīng)變值對比

2.1.2 豎向應(yīng)變

A、B作用點(diǎn)在豎向應(yīng)變規(guī)律類似,僅對比作用點(diǎn)A下方各結(jié)構(gòu)層底豎向應(yīng)變值如圖5所示。對比常規(guī)方法,考慮實際最不利非均勻水氣濃度場的路面結(jié)構(gòu)各層底應(yīng)變均增大。上面層壓應(yīng)變增加109.57%,中面層拉應(yīng)變增加28.92%,中面層開裂風(fēng)險增大。

圖5 水氣濃度影響下路面不同位置處最大豎向應(yīng)變值對比

無論是水平應(yīng)變還是豎向應(yīng)變,考慮實際非均勻水氣濃度場后,都呈現(xiàn)上升趨勢,增大了結(jié)構(gòu)層疲勞開裂的風(fēng)險。

2.2 路面各結(jié)構(gòu)層底應(yīng)力

2.2.1 水平應(yīng)力

根據(jù)模型計算結(jié)果,繪制不同時刻最大水平應(yīng)力對比值如圖6所示。相較于其他面層,A點(diǎn)與B點(diǎn)處路面結(jié)構(gòu)下面層底受較大拉應(yīng)力。分析其原因為溫度沿路面結(jié)構(gòu)方向逐漸降低,導(dǎo)致下面層模量較高,進(jìn)而承擔(dān)了較大拉應(yīng)力。對比分析考慮實際最不利水氣濃度場可以發(fā)現(xiàn),路面結(jié)構(gòu)下面層所受水平應(yīng)力分別下降13.64%與13.78%,其原因為面層結(jié)構(gòu)模量衰減后,可分擔(dān)的應(yīng)力變小,轉(zhuǎn)由路面下部結(jié)構(gòu)分擔(dān)。各基層受到水平應(yīng)力增加5%左右,加大了基層產(chǎn)生開裂,形成縱向裂縫的可能性增大。

圖6 水氣濃度影響下路面A點(diǎn)(左圖)與B點(diǎn)(右圖)處最大水平應(yīng)力值

2.2.2 豎向應(yīng)力

對A點(diǎn)處豎向應(yīng)力進(jìn)行分析如圖7所示。路面結(jié)構(gòu)各層豎向應(yīng)力由面層向下依次遞減。對比可知,考慮最不利非均勻水氣濃度場對豎向應(yīng)力影響不大。

圖7 水氣濃度影響下路面不同位置處最大豎向應(yīng)力值

3 疲勞壽命計算

3.1 有限元疲勞壽命計算

3.1.1 預(yù)定義水氣濃度設(shè)置

現(xiàn)行規(guī)范中疲勞壽命計算方法將溫度限定為20 ℃[12],因此將模型預(yù)定義溫度設(shè)置為20 ℃;針對考慮實際非均勻濃度場的情況,建立路面結(jié)構(gòu)年平均水氣濃度場。根據(jù)廣東地區(qū)2022年平均濕度換算得到環(huán)境年平均水氣濃度。參考2022年中國統(tǒng)計年鑒[14]廣東2022年平均氣溫23.7 ℃、相對濕度75%,計算得空氣中水氣濃度為12.3 g/mm3。同時,由級配碎石處相對濕度100%、溫度20 ℃換算得水氣濃度為17.29 g/mm3。設(shè)置溫度為20 ℃,將水氣邊界條件循環(huán)加載7 d,模擬得到年平均濕度環(huán)境下的路面結(jié)構(gòu)非均勻水氣濃度場(圖8)。針對常規(guī)方法,將預(yù)定義水氣濃度設(shè)為7 g/m3。為分析考慮實際非均勻水氣濃度場對路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響,根據(jù)中交公路科學(xué)研究所[12]選取ABCD 4個取值點(diǎn)(圖9),其中d為車輪直徑,取18.9 cm。

圖8 年平均濕度環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)各層水氣濃度

圖9 計算點(diǎn)位

3.1.2 水平拉應(yīng)變分析

通過模型計算結(jié)果統(tǒng)計路面不同位置處最大水平應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表4 路面不同位置處最大水平應(yīng)變

分析計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),20 ℃溫度環(huán)境下,路面結(jié)構(gòu)上、中面層水平方向處于受壓狀態(tài),下面層水平方向受拉,最大值出現(xiàn)在兩車輪中間位置?？紤]實際非均勻水氣濃度場使得下面層水平拉應(yīng)變增大4%左右,意味著疲勞壽命會衰減。

3.1.3 疲勞壽命計算

規(guī)范中瀝青混合料層疲勞壽命的預(yù)估模型計算公式為

(2)

式中:Nf為疲勞開裂壽命(軸次);ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù);VFA為瀝青混合料的瀝青飽和度(%);kT1為溫度調(diào)整系數(shù)。依據(jù)中交公路科學(xué)研究所[12]可查得,β為1.65ka,ka為1。

針對考慮實際非均勻水氣濃度場和常規(guī)方法,根據(jù)模型計算結(jié)果,統(tǒng)計20 ℃、10 Hz下各層動態(tài)模量及面層當(dāng)量模量、厚度如表5所示。

表5 20 ℃、10 Hz下各層動態(tài)模量及面層當(dāng)量模量、厚度

對比ABCD 4個計算點(diǎn),將最大層底拉應(yīng)變及相關(guān)值代入可得路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。上、中面層水平方向為壓應(yīng)變,故此處不考慮其疲勞壽命。將下面層疲勞壽命計算結(jié)果列于表6中。

表6 考慮非均勻水氣與否的路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命

由表6可知,考慮實際非均勻水氣濃度場后,下面層疲勞壽命由1.967×108降低為1.726×108,降低12.246%。表明目前以規(guī)范為代表的常規(guī)方法在計算疲勞壽命時大于路面實際疲勞壽命,高估了路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能,導(dǎo)致設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)偏于危險。

3.2 室內(nèi)試驗疲勞壽命計算

通過室內(nèi)試驗驗證水氣對瀝青混合料性能的影響,將AC-13瀝青混合料放置于50 ℃和99%濕度的環(huán)境中進(jìn)行24 h水氣侵蝕如圖10所示。將初始狀態(tài)和水氣侵蝕后的AC-13瀝青混合料輪碾壓實成型后,切制棱柱體小梁,采用重復(fù)彎曲試驗評價水氣侵蝕過程對混合料疲勞性能的影響,在室溫下,選擇半正弦波形加載模式,試驗頻率10 Hz,應(yīng)力比分別設(shè)為0.3、0.4、0.5和0.6。試驗測試結(jié)果如表7所示。

圖10 瀝青混合料經(jīng)受水氣侵蝕

圖11 不同水氣侵蝕程度的疲勞試驗擬合

表7 不同水氣侵蝕程度混合料疲勞試驗數(shù)據(jù)

由圖10可知,不同水氣侵蝕程度瀝青混合料的疲勞壽命對數(shù)IgNf和應(yīng)力比呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析,可以求出瀝青混合料的疲勞方程。

lgNf=K-n(σ/s)

(3)

式中:Nf為疲勞壽命次數(shù);σ/s為應(yīng)力比;K為疲勞方程截距;n為疲勞方程的斜率。

不同水氣侵蝕程度瀝青混合料的擬合方程及相關(guān)系數(shù)結(jié)果如表8所示。

表8 不同水氣侵蝕程度的瀝青混合料疲勞壽命對數(shù)方程

疲勞壽命方程中的截距K可以表征混合料的抗疲勞性能,斜率n可以表征混合料疲勞壽命對應(yīng)力比的敏感性,由表8可知,隨著水氣侵蝕程度的加深,瀝青混合料的K值減小,n值增大,表明隨著水氣侵蝕程度的加深,瀝青混合料疲勞性能出現(xiàn)下降,疲勞壽命呈現(xiàn)快速衰減的趨勢。

4 結(jié)論

根據(jù)廣東省2022年氣候文件,基于銀洲湖高速公路實體工程,采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對展開常規(guī)水氣濃度場與實際非均勻水氣濃度場對路面力學(xué)響應(yīng)的差異,基于規(guī)范疲勞公式,分析其對疲勞壽命的影響,并結(jié)合相關(guān)室內(nèi)試驗,進(jìn)一步驗證水氣侵蝕后瀝青混合料疲勞壽命的變化趨勢,主要結(jié)論如下。

1)在非均勻水氣濃度場的影響下,上面層底部水平拉應(yīng)變車輪正下方位置增大110.68%,其余層位水平拉應(yīng)變增大5%左右。表明實際水氣濃度場的存在使得上面層更易產(chǎn)生開裂。應(yīng)力方面,面層水平應(yīng)力減小約10%,基層、底基層承擔(dān)的應(yīng)力增加10%左右,增大了基層病害產(chǎn)生的危險。

2)對比規(guī)范中疲勞壽命計算方法,考慮實際非均勻水氣濃度場使得面層疲勞壽命降低12.246%,表明常規(guī)方法在計算疲勞壽命時大于路面實際的疲勞壽命,室內(nèi)試驗擬合結(jié)果同樣表明瀝青混合料被水氣侵蝕后會縮短其疲勞壽命,因此,在道路壽命預(yù)估時,需引入實際非均勻水氣濃度場提高預(yù)估準(zhǔn)確性。