熱拌薄層罩面力學分析

劉 芳 肖亞飛

1 概述

隨著我國高速公路的飛速發展,路網已基本形成,現有的瀝青混凝土路面經過多年行車后,有相當一部分路面結構雖然整體強度完好,但存在露骨、剝落、滑溜和平整度差等表面功能性病害。對于這部分路面結構的養護維修,從減少對路面標高的影響與節約資源的角度出發,僅需對其表面功能進行恢復,采用薄層瀝青混凝土罩面預防性養護是較為理想的方案,且瀝青薄層罩面技術在國內很多地方已經鋪筑了試驗路。

2 有限元模型

由于 ABAQUS程序可求解復雜的機械及熱荷載過程(包括幾種不同性質的材料)以及變化接觸條件的非線性組合問題。ABAQUS建立了開放的體系結構,提供了二次開發的接口,利用其強大的分析求解平臺,可使困難的分析簡單化,復雜的過程層次化[3]。所以在本章的研究中,選用有限元軟件 ABAQUS來模擬薄層罩面在行車荷載作用下的應力。

原路面結構采用三維工程結構物,由瀝青面層、半剛性基層、底基層和土基組成,如圖 1所示。在模擬分析中,薄層罩面鋪筑在原路面的表面,施加垂直荷載于罩面表面,設置路面結構邊界條件,然后劃分網格,形成三維空間模型,最后進行有限元數值計算。

3 基本假設

實際的薄層罩面層間接觸條件介于光滑接觸與連續接觸之間,處于半結合狀態。新鋪筑薄層罩面時,由于在舊瀝青路面上澆灑了粘結油,薄層罩面與原瀝青路面粘結較好,可視為連續接觸。當薄層罩面使用了一段時間后,在車輛荷載、溫度、雨(雪)等外界因素及瀝青自身的老化等因素影響下,薄層罩面與原路面之間開始出現滑移現象,所以薄層罩面與原路面層間為不完全連續。本章基本假設如下:

1)薄層罩面視作各向同性的線性熱粘彈性損傷材料;2)考慮行車荷載對路面結構高溫穩定性和疲勞的影響,所以荷載為單輪垂直均布荷載;3)原路面各層為各向同性均布彈性材料,以材料參數彈性模量E與泊松比υ表示,且各層材料參數為常數;4)原路面層間接觸條件為完全連續接觸,薄層罩面與原路面為不完全連續且摩擦系數設為 0.5;5)不考慮溫度變化對薄層罩面受力的情況;6)假設鋪筑薄層罩面前,對原路面面層裂縫經過處理,對罩面受力無影響。

4 參數的選取

1)薄層罩面的參數。

材料的蠕變變形 εcr可以表示為溫度 T、應力 q和時間 t的函數,即:

分析蠕變變形,通常采用 Bailey-Norton蠕變規律。對于一維受力狀態,其模型表達式為:

其中,q,t分別為偏應力和作用時間;C1,C2,C3均為模型參數并依賴于溫度,可以通過材料試驗確定,通常 C2≥0,C3≤1。由于式(2)中,假定 q不隨時間 t變化,所以有:

式(3)即為本文應力分析所要采用的有限元分析軟件ABAQUS中的時間硬化蠕變模型(以蠕變率表示),A,n,m即為模型參數。通常,A＞0;n＞0;-1＜m≤0,取 SMA-13常溫 20℃時的參數進行計算[4]。具體參數見表 1。

表1 薄層瀝青罩面材料的參數

2)基層和土基參數的確定。為了簡化模型,提高計算效率,數值模型中對面層、基層和土基材料采用線彈性模型,各層材料彈性參數根據典型取值確定。同時不考慮彈性參數隨溫度的變化,具體數值見表 2[5]。

3)車轍荷載的確定。按 100萬次標準荷載在車速 80 km/h下的累計作用時間(接地壓力p按 0.7MPa的標準壓力計算),車轍計算模型荷載參數見表 3。

表2 基層和土基材料的彈性參數

表3 車轍計算模型荷載參數

5 數值分析

薄層罩面厚度薄,混合料粒徑小,高溫抗形變的能力自然相對要小一些,同時因為本身層厚的限制,其車轍深度不可能很大,故高溫穩定性問題主要體現在層內或層間剪應力過大導致的罩面層推移、壅包上面;薄層罩面在使用期間經受車輪荷載的反復作用,長期處于應力應變交迭變化狀態,致使路面結構強度逐漸下降,當荷載重復作用超過一定次數以后,薄層罩面出現裂縫,產生疲勞斷裂破壞,而其的疲勞設計大多數以底部拉應力或拉應變作為控制指標。文章將從薄層罩面在行車荷載作用下的剪應力、拉應力等入手,來分析其高溫穩定性和抗疲勞性能。

行駛在路面上的車輛由承重輪向薄層罩面傳遞大部分荷載,薄層罩面不僅承受車輛垂直荷載作用,而且承受了車輪滾動摩擦力的作用,由于輪胎與路面間接觸壓力的復雜性,導致這一局部范圍內的受力較為復雜。主要是垂直荷載作用下的瀝青路面的應力和彎沉變化。

通過 ABAQUS有限元軟件進行模擬,算出薄層罩面的最大剪應力、拉應力、彎沉變化等,并分析計算結果隨薄層罩面深度的變化趨勢。其操作方法如下:分別取薄層罩面上表面層、中間層和罩面與原路面接觸層的三個平面的彎沉值、最大剪應力、橫向拉應力、縱向拉應力,每層面各取八個位置不同的點(由于行車荷載沿橫軸和縱軸呈軸對稱圖形)。

5.1 垂直壓應力分析

由圖 2可知,薄層罩面表面垂直壓應力大于薄層罩面層的垂直壓應力,均大于薄層罩面與原路面接觸面層間的垂直壓應力,但垂直壓應力變化很小。隨著罩面深度的增加垂直應力受力面積增加,而薄層罩面厚度很薄,所以增加的面積很小,由于垂直壓應力是車載壓力與應力受力面積的比值,所以隨薄層罩面厚度的增加垂直壓應力減小量也很小。

5.2 最大剪應力

由圖 3可知,瀝青薄層罩面與原路面的接觸面的層間最大剪應力大于薄層罩面的層內最大剪應力,均大于薄層罩面表面的最大剪應力。最大剪應力是材料破壞控制指標之一,所以控制薄層罩面與原路面接觸面的層間最大剪應力非常重要。

5.3 橫向拉應力

由圖 4可知,瀝青薄層罩面與原路面接觸面的層間橫向拉應力大于薄層層內的橫向拉應力,均大于罩面表面的橫向拉應力。拉應力是材料破壞控制指標之一,所以控制薄層罩面與原路面接觸面的層間橫向拉應力十分重要。

5.4 縱向拉應力

由圖 5可知,瀝青薄層罩面與原路面接觸面的層間縱向拉應力均大于薄層罩面表面和層內的縱向拉應力,薄層罩面層內縱向拉應力大于表面的縱向拉應力。拉應力是材料破壞控制指標之一,所以控制薄層罩面與原路面接觸面的層間縱向拉應力十分重要。

6 結語

薄層罩面表面垂直壓應力大于薄層罩面層的垂直壓應力,均大于薄層罩面與原路面接觸面層間的垂直壓應力,但垂直壓應力變化很小;隨著罩面深度的增加,垂直應力受力面積增加,而薄層罩面厚度很薄,所以增加的面積很小,由于垂直壓應力是車載壓力與應力受力面積的比值,所以隨薄層罩面厚度的增加垂直壓應力減小量也很小。瀝青薄層罩面與原路面的接觸面的層間最大剪應力大于薄層罩面的層內最大剪應力,均大于薄層罩面表面的最大剪應力。瀝青薄層罩面與原路面接觸面的層間橫向拉應力大于薄層層內的橫向拉應力,均大于罩面表面的橫向拉應力。瀝青薄層罩面與原路面接觸面的層間縱向拉應力均大于薄層罩面表面和層內的縱向拉應力,均大于表面的縱向拉應力。

[1]徐東偉.瀝青混凝土路面加鋪層力學分析[J].北方交通,2003(4):27-28.

[2]李 峰,孫立軍.基層模量對瀝青路面力學性能的影響分析[J].公路交通科技,2006(2):31-33.

[3]馬慶雷.基于剛性基層的耐久性瀝青路面結構研究[D].西安:長安大學,2006.

[4]李 輝.瀝青路面車轍形成規律與溫度場關系研究 [D].南京:東南大學,2006.

[5]楊 捷.瀝青車轍與壅包形成機理的粘彈性分析[D].南京:東南大學,2006.