冷熱-荷載共同作用下的半柔性路面特性研究

摘 要：本文利用ABAQUS建立半柔性路面數(shù)值模型，探究溫度冷熱循環(huán)和車輛荷載共同作用下半柔性復(fù)合路面的受力變形特性，結(jié)果表明：隨溫度上升，面層層底最大壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和路表最大彎沉值均逐漸增加，最大剪應(yīng)力的增長速率逐漸提高，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)顯著的線性特征，而最大壓應(yīng)變的增加速率逐漸平緩。隨著溫度降低，最大壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、壓應(yīng)變和路表最大彎沉值逐漸減少，且減少速率均逐漸平緩，且在溫度降低過程中，半柔性復(fù)合路面路表彎沉值主要受車輛荷載作用影響，對溫度變化未表現(xiàn)出較強的敏感性。在冷熱循環(huán)條件下，周期性的膨脹收縮會導(dǎo)致半柔性路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力變化劇烈，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致疲勞開裂。

關(guān)鍵詞：半柔性路面；車輛載荷；變形規(guī)律；冷熱循環(huán)；力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號：U 41" " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

半柔性路面是一種兼具韌性與剛性的新型路面，它通過在大孔隙、開級配的瀝青混合料基層中灌注以水泥為主要黏結(jié)劑的漿體復(fù)合物制成[1]。這種路面因其卓越的道路使用性能和抗疲勞特性，在機場、停車場、海港等承受高負(fù)荷的區(qū)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。但半柔性路面是復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，容易產(chǎn)生開裂病害[5-6]，因此大量學(xué)者對半柔性路面材料開裂規(guī)律進行了研究。梁遐意[7]在水泥砂漿中摻加乳化瀝青，制備特殊型水泥砂漿，并采用間接拉伸疲勞試驗研究評價其對半柔性路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能影響。試驗表明，乳化瀝青可顯著提升半柔性路面的抗疲勞性能，并且基體空隙率越大，半柔性路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能越低。秘榮明等[8]通過低溫劈裂試驗探究不同種類瀝青、油石比和纖維摻量對半柔性路面的低溫抗裂性能的提升效果。結(jié)果表明，選用高黏度改性瀝青、增加瀝青含量和摻入適量纖維可提高半柔性路面材料的低溫劈裂強度。

在某些地區(qū)，氣溫差異顯著，這種持續(xù)的溫差環(huán)境極易誘發(fā)半柔性路面的開裂現(xiàn)象。因此本文基于有限元方法，探究了溫度冷熱循環(huán)和車輛荷載共同作用下半柔性路面受力變形特性研究，以此分析路面開裂演變規(guī)律。

1 建立半柔性路面有限元模型

利用ABAQUS建立半柔性道路二維簡化數(shù)值計算模型。道路整體結(jié)構(gòu)是帶狀構(gòu)造物，寬度為6m，深度為5.5m，面層采用半柔性路面材料，基層層簡化為單層水泥穩(wěn)定碎石層，面層厚度取10cm、基層厚度取30cm、底基層厚度取20cm、土基厚度取5m。模型網(wǎng)格采用 C3D8R 減縮積分單元，對輪胎荷載以下區(qū)域進行更精密單元劃分，以降低計算復(fù)雜度并保證結(jié)果準(zhǔn)確性。模型如圖1所示。

設(shè)置模型下邊界為完全固定約束，左右邊界約束其水平方向的位移，上邊界為自由邊界。由于半柔性路面材料中瀝青混合料的彈性模量值受溫度變化影響顯著，因此通過改變面層的彈性模量值來實現(xiàn)數(shù)值模擬過程中的溫度周期性變化效果。道路各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)見表1。

按照先增加后減少的規(guī)律周期性施加車輛荷載，胎壓為0.7MPa，軸重100kN。

2 冷熱循環(huán)過程半柔性路面受力變形特性分析

2.1 升溫過程面層層底受力變形特性分析

通過不斷降低面層彈性模量模擬升溫過程，溫度和車輛荷載共同作用下的面層層底受力變形特性如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著溫度升高，半柔性面層層底的最大壓應(yīng)力逐漸增加。隨著溫度從20°C升至35°C，面層層底的最大壓應(yīng)力從0.0967MPa增至0.4752MPa，面層層底最大壓應(yīng)力隨著溫度升高呈現(xiàn)顯著的線性特性，溫度變化對最大壓應(yīng)力的變化幅度未產(chǎn)生明顯影響，說明壓應(yīng)力主要受車輛荷載作用的影響，而對溫度變化的敏感性較低。隨著溫度升高，半柔性復(fù)合路面面層的瀝青混合料受熱變軟，在車輛行駛過程中，車輪對道路面層部分施加的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用容易引發(fā)路表剪切破壞，導(dǎo)致開裂現(xiàn)象。

在溫度從20°C升至25°C 的過程中，面層層底最大剪應(yīng)力從0.0968MPa增至0.1923MPa，在溫度從30°C升至35°C的過程中，面層層底剪應(yīng)力從0.3057MPa增至 0.4877MPa，后者增長幅度是前者的2倍。隨著溫度升高，路面層底部的剪應(yīng)力增長趨勢愈發(fā)顯著。路面底部與基層頂部之間存在高強度的壓應(yīng)力，且無法有效釋放溫度變化誘發(fā)的體積變動所生成的應(yīng)力，因此在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成應(yīng)力集中效應(yīng)。此效應(yīng)使表面拉應(yīng)力與內(nèi)部剪應(yīng)力進一步增加，加速了表層微小裂縫的擴展速度。

當(dāng)溫度從20°C升至25°C時，面層層底的最大壓應(yīng)變從5.29με增至9.99με，差值為4.7με；當(dāng)溫度從30°C升至35°C時，面層層底最大壓應(yīng)變從14.11με增至17.31με，差值為3.2με，最大壓應(yīng)變增長速率呈現(xiàn)平緩趨勢。

2.2 降溫過程面層層底受力變形特性分析

通過不斷提高面層彈性模量模擬降溫過程，溫度和車輛荷載共同作用下的面層層底受力變形特性如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著溫度不斷降低，半柔性面層層底的最大壓應(yīng)力逐漸減少，隨著溫度從25°C降至15°C，最大壓應(yīng)力從0.6656MPa減至0.3646MPa；當(dāng)溫度從10°C降至0°C時，最大壓應(yīng)力從0.2602MPa 減至0.0846MPa，前者的降幅是后者的1.72倍。說明隨著溫度下降，壓應(yīng)力的減速逐漸趨于平緩。半柔性面層在經(jīng)歷升溫過程后，體積會發(fā)生膨脹，此時環(huán)境溫度開始降低，面層受冷發(fā)生收縮變形。基層變形具有滯后性，面層與基層的變形并不同步，因此在面層底部產(chǎn)生了顯著的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種應(yīng)力集中是裂縫萌生及擴展的誘因，在周期性的膨脹收縮變形下，會導(dǎo)致疲勞開裂。

隨著溫度不斷降低，半柔性面層層底的最大剪應(yīng)力逐漸減少。當(dāng)溫度從25°C降至15°C時，面層層底的最大剪應(yīng)力從0.7309MPa減至0.3833MPa； 當(dāng)溫度從10°C降至0°C時，面層層底最大剪應(yīng)力從0.2875MPa減至 0.0963MPa，在相同降溫幅度下，前者的差值是后者的1.83倍，說明剪應(yīng)力對溫度降低具有顯著的敏感性，隨著溫度降低，面層層底最大剪應(yīng)力的減少速率逐漸變緩。在經(jīng)歷冷熱交替循環(huán)作用后，表面裂痕與過渡層間的裂縫相互交織時，它們使表層趨向中心區(qū)域產(chǎn)生緩位移，但表層下方存在反向抵制的力量，這種現(xiàn)象在表層內(nèi)部誘發(fā)了顯著的剪切應(yīng)力。因此，隨著外部加載力逐漸減少，原本預(yù)期中剪應(yīng)力減少的趨勢變得更為平緩。

當(dāng)溫度從25°C降至15°C時，面層層底的最大壓應(yīng)變從25.91με減至19.81με，差值為6.1με，當(dāng)溫度從10°C降至0°C時，面層層底壓最大應(yīng)變從15.61με減至5.67με，差值為 9.94με。在溫度從25°C降至0°C的過程中，壓應(yīng)變的減少速率逐漸提高，因此在溫度較低的范圍內(nèi)，面層底部的壓應(yīng)變呈現(xiàn)出更為顯著的增加趨勢。

3 路表彎沉值分析

3.1 升溫過程路表彎沉值變化分析

升溫過程中路表彎沉值隨溫度的變化曲線如圖4所示。

從圖中可以看出，隨著溫度升高，路表最大彎沉值逐漸增加，當(dāng)溫度從20°C升至25°C時，路表彎沉值從0.193mm增至0.294mm，增長幅度為0.101mm，當(dāng)溫度從30°C升至35°C時，路表彎最大沉值從0.470mm增至 0.785mm，增幅為0.315mm，在相同升溫幅度下，后者為前者的3.12倍，說明隨著溫度升高，路表最大彎沉值的增長速率逐漸加快。

3.2 降溫過程路表彎沉值變化分析

降溫過程中路表彎沉值隨溫度的變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著溫度降低，路表最大彎沉值逐漸減少，半柔性材料彈性模量逐漸升高，材料硬化導(dǎo)致路表彎沉值逐漸減少。當(dāng)溫度從25°C降至15°C時，路表最大彎沉值從1.64mm減至0.749mm，差值為0.515mm，溫度從10°C降至0°C時，路表最大彎沉值從0.530mm減至0.214mm，差值為0.316mm，減速變緩，但幅度變化并不顯著，說明在溫度降低過程中，半柔性復(fù)合路面路表彎沉值主要受車輛荷載作用影響，對溫度變化沒有太強的敏感性。

4 結(jié)論

本文利用ABAQUS建立半柔性路面數(shù)值模型，分析了在溫度冷熱循環(huán)和車輛荷載共同作用下半柔性復(fù)合路面的力學(xué)響應(yīng)特性，得出以下主要結(jié)論。1）隨著溫度升高，面層層底壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和路表彎沉值均逐漸增加，剪應(yīng)力的增長速率逐漸提高，壓應(yīng)力表現(xiàn)出顯著的線性特征，而壓應(yīng)變的增加速率逐漸平緩。在這個過程中，路面底部與基層頂部之間有高強度的壓應(yīng)力，且溫度變化引起的體積變動產(chǎn)生的應(yīng)力無法有效釋放，因此在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成應(yīng)力集中效應(yīng)，使表面拉應(yīng)力與內(nèi)部剪應(yīng)力的進一步增加，加快了表層微小裂縫的擴展速度。2）隨著溫度降低，最大壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和路表最大彎沉值逐漸減少，且減少速率均逐漸變緩。表面裂痕與過渡層間的裂縫在經(jīng)歷冷熱交替循環(huán)作用后會相互交織，這種現(xiàn)象使表層向中心區(qū)域出現(xiàn)位移，但表層下方存在反向抵制的力量，會在表層內(nèi)部誘發(fā)顯著的剪切應(yīng)力產(chǎn)生，因此，隨著外部加載力的逐漸減少，原本預(yù)期中剪應(yīng)力隨之減少的趨勢會變得更為平緩。

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