不同層間狀態(tài)對瀝青路面U形破壞的影響

楊 莉

（重慶市九龍坡區(qū)交巡警支隊，中國 重慶 400000）

0 引言

隨著交通量的增加，以及超載重載現(xiàn)象日益嚴(yán)重，半剛性基層瀝青路面往往較早地就出現(xiàn)各種損壞。有關(guān)現(xiàn)場調(diào)查研究表明[1-4]，在接近長大縱坡的坡底和坡頂處，瀝青層易發(fā)生層間滑移現(xiàn)象，形成“U形”裂縫（月芽形）。在我國瀝青路面設(shè)計方法中，假設(shè)瀝青路面層與層之間完全連續(xù)。然而，在實際工程中，因施工工藝要求、各層材料屬性不同以及層間易污染等問題，層間接觸狀態(tài)十分復(fù)雜，路面的實際工作狀態(tài)往往與瀝青路面設(shè)計規(guī)范中要求的不相符合。這就使得瀝青路面的使用壽命大大縮短。因此，有必要分析層間結(jié)合優(yōu)劣對瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變的影響，從而提出有效地的處治措施，改善路面的受力狀態(tài)。

1 瀝青路面有限元模型的建立與表征方法

1.1 路面結(jié)構(gòu)與計算參數(shù)

本文選擇典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，材料參數(shù)均取靜態(tài)壓縮模量，路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表1。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.2 荷載形式

計算荷載采用均勻荷載分布矩形輪胎模型[5]，雙輪的中心間距取31.98cm。不同荷載參數(shù)如表2。

表2 BZZ-100 的荷載工況

1.3 三維有限元模型的建立

圖1 有限元模型與網(wǎng)格劃分(m)

利用ABAQUS 有限元軟件建立模型，模型尺寸選為4m×4m×4m[6]。其中3 軸為行車方向，1 軸為路面橫斷面方向，2 軸為路面深度方向，同時約束底面2 方向的位移，約束左右兩面1 方向的位移，約束前后兩面3 方向的位移。選取3 維8 節(jié)點的縮減積分單元，計算模型與網(wǎng)格劃分，如圖1 所示。

1.4 層間接觸

本文在計算模型中設(shè)置了三個接觸面，第一接觸面是瀝青上面層和中面層之間的接觸，第二接觸面是瀝青中面層和下面層之間的接觸，第三接觸面是瀝青下面層和基層之間的接觸。在瀝青面層內(nèi)的接觸中，考慮兩種接觸狀況：（1）層與層之間完全連續(xù)；（2）層與層之間不完全連續(xù)。在瀝青面層和基層之間的接觸中，考慮兩種情況：（1）層與層之間完全連續(xù)；（2）層與層之間摩擦接觸，摩擦系數(shù)μ 采用0.5[7]。具體的組合情況，見表3 所示。

表3 有限元計算模型層間組合情況一覽表

1.5 U 型破壞的表征方法

根據(jù)已有研究成果[8]，選擇σ3（縱向水平拉應(yīng)力）和τ13豎向剪應(yīng)力作為表征U 型開裂的力學(xué)指標(biāo)。

2 路面力學(xué)響應(yīng)對U 形破壞的影響

2.1 對拉應(yīng)力σ3的影響

圖2 路表縱向水平拉應(yīng)力σ3沿輪胎橫向的分布

圖2 和圖3 分別為路表面輪胎橫向范圍內(nèi)縱向水平拉應(yīng)力σ3和路面深度方向上縱向水平拉應(yīng)力的分布圖示。從圖2 可以看出，不論層間處于何種接觸狀態(tài)，在路表輪胎橫向范圍內(nèi)，拉應(yīng)力σ3呈現(xiàn)出“倒U 型”的荷載分布形式，荷載應(yīng)力主要集中于在輪跡帶內(nèi)，而在遠(yuǎn)離輪跡帶的位置出，荷載應(yīng)力普遍較小，即隨著與輪跡帶距離的增加，荷載應(yīng)力迅速減小，直至為零。從圖3 可以看出，不論層間處于何種接觸狀態(tài)，在路面深度方向上，拉應(yīng)力σ3主要集中在瀝青層上面層及中面層，且拉應(yīng)力σ3最大值位于路表，隨著深度的增加逐漸減小，直至開始其出現(xiàn)壓應(yīng)力。還可以看出，在其他條件不變的情況下，拉應(yīng)力σ3在層間不連續(xù)時相對于連續(xù)時，其數(shù)值增大了很多。以層間完全連續(xù)狀態(tài)LLL 為基準(zhǔn)，將其它三種不同層間接觸狀況LLM、WWL 和WWM 的最大拉應(yīng)力與之比較，結(jié)果見表4 所示。從表4 得知，當(dāng)面層處于完全連續(xù)時，基面層間不連續(xù)時路表最大拉應(yīng)力相對于基面層間連續(xù)時增大了15%；而當(dāng)面層處于不連續(xù)時，基面層間不連續(xù)時路表最大拉應(yīng)力相對于基面層間連續(xù)時變化不是很明顯。可見，基面層間接觸狀態(tài)對于路表最大拉應(yīng)力有一定的影響。同時，面層層間接觸狀態(tài)對最大拉應(yīng)力的影響尤為明顯。通過WWL 和WWM 兩種狀態(tài)與LLL 狀態(tài)比較發(fā)現(xiàn)，面層的不連續(xù)所導(dǎo)致的路表拉應(yīng)力增大幅度竟高達(dá)81%以上。相關(guān)文獻(xiàn)表明[8]，拉應(yīng)力σ3是導(dǎo)致瀝青路面“U 形”破壞（底部）的主要原因。上述研究結(jié)果說明“U形”破壞（底部）主要是由瀝青面層層間接觸好壞引起的，而基面層間接觸狀況對其的影響相對而言較弱。可見，面層層間接觸狀態(tài)對“U形”破壞的產(chǎn)生了起到了關(guān)鍵作用。

圖3 縱向水平拉應(yīng)力σ3 沿深度方向的分布

表4 路表最大縱向拉應(yīng)力σ3比較

2.2 對剪應(yīng)力τ13的影響

圖4 路表豎向剪應(yīng)力τ13沿輪胎橫向的分布

圖5 豎向剪應(yīng)力τ13沿深度方向的分布

圖4 和圖5 分別為路表面輪胎橫向范圍內(nèi)豎向剪應(yīng)力τ13和路面深度方向上豎向剪應(yīng)力τ13的分布圖示。從圖4 中可以看出，不論層間處于何種接觸狀態(tài)，在輪胎橫向方向上，剪應(yīng)力呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，荷載應(yīng)力主要集中在輪跡帶兩側(cè)，輪胎內(nèi)側(cè)邊緣是拉，外側(cè)邊緣是壓。而且隨著與輪跡帶距離的增加，剪應(yīng)力逐漸減少。從圖5 中可以看出，不論層間處于何種接觸狀態(tài)，在路面內(nèi)深度方向上，剪應(yīng)力主要集中于瀝青上、中面層，且剪應(yīng)力的最大值位于路表，隨著深度的增加逐漸減小；同時，在層間不連續(xù)處出現(xiàn)了應(yīng)力突變情況。

以層間完全連續(xù)狀態(tài)LLL 為基準(zhǔn)，將其它三種不同層間接觸狀況LLM、WWL 和WWM 的最大剪應(yīng)力與之比較，結(jié)果見表5 所示。

表5 路表最大豎向剪應(yīng)力τ13比較

從表5 得知，當(dāng)面層處于完全連續(xù)時，基面層間不連續(xù)時路表最大剪應(yīng)力力相對于基面層間連續(xù)時增大了5%；而當(dāng)面層處于不連續(xù)時，基面層間不連續(xù)時路表最大剪應(yīng)力力相對于基面層間連續(xù)時僅僅增加了2%。可見，基面層間接觸狀態(tài)對于路表最大拉應(yīng)力有一定的影響。與此同時，面層層間接觸狀態(tài)對最大拉應(yīng)力的影響尤為明顯。通過WWL 和WWM 兩種狀態(tài)與LLL 狀態(tài)比較發(fā)現(xiàn)，面層的不連續(xù)所導(dǎo)致的路表剪應(yīng)力增大幅度竟高達(dá)25%以上。可見，面層的接觸狀態(tài)對路面內(nèi)剪應(yīng)力τ13的影響程度要比基面層間接觸狀態(tài)對剪應(yīng)力的影響程度大得多。換句話說，瀝青面層的接觸狀況是誘發(fā)“U 形”破壞的主要原因，而基面層間的接觸狀況對“U 形”破壞的影響相對較小。因此，針對“U 形”破壞，瀝青上、中面層的層間處治比基面層的層間處治更為重要。

3 結(jié)論

本文選擇縱向水平拉應(yīng)力σ3和豎向剪應(yīng)力τ13作為表征U 型開裂的力學(xué)指標(biāo)。研究分析了縱向水平拉應(yīng)力σ3和豎向剪應(yīng)力τ13在輪胎橫向和路面深度方向上的分布規(guī)律。得出如下結(jié)論：

（1）縱向水平拉應(yīng)力σ3主要集中于輪跡帶上，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在瀝青路表，且隨著深度的增加逐漸減小。

（2）豎向剪應(yīng)力τ13的最大值位于瀝青路表，且隨著深度的增加逐漸減小，其中，剪應(yīng)力主要分布在瀝青上面層，該區(qū)域內(nèi)的高剪應(yīng)力極易導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生“U 形”破壞。

（3）“U 形”破壞主要是由瀝青面層層間接觸好壞引起的，而基面層間接觸狀況對其的影響相對而言較弱。

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