季凍區(qū)無機結(jié)合料穩(wěn)定基層瀝青路面典型病害機理分析

吳欲曉

(1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168； 2.遼寧奧路通科技有限公司 沈陽市 110166)

無機結(jié)合料穩(wěn)定基層是季凍區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，其較高的結(jié)構(gòu)強度能夠提高瀝青路面的整體強度，但經(jīng)過大量的工程實踐檢驗后發(fā)現(xiàn)，該種路面結(jié)構(gòu)存在著諸多弊端，隨著使用年限的增長路面出現(xiàn)了較為典型的裂縫和車轍病害，上述病害的出現(xiàn)對路面行車安全、整體性能及使用壽命均產(chǎn)生嚴重的影響。因此，針對季凍區(qū)無機結(jié)合料穩(wěn)定基層路面的典型病害，采用Abaqus有限元數(shù)值模擬分析平臺從力學(xué)響應(yīng)角度分析病害產(chǎn)生的機理。

1 有限元模型的建立

1.1 路面結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的確定

以京哈(北京至哈爾濱)線實體工程作為研究對象，通過建養(yǎng)資料調(diào)查與現(xiàn)場鉆芯取樣得到路面結(jié)構(gòu)的組成形式，并通過以往室內(nèi)試驗結(jié)果及相關(guān)研究得到各個結(jié)構(gòu)層材料的力學(xué)及熱物性參數(shù)，以此作為路面結(jié)構(gòu)病害機理分析的基準依據(jù)，具體相關(guān)參數(shù)見表1、表2所示。

1.2 路面有限元模型的建立

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》JTG D40-2017的規(guī)定，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用100kN單軸—雙輪組標準荷載，輪胎接地面積采用邊長為0.213m的正方形，將標準荷載換算為接地壓強，即每個輪胎的接地壓強為0.7MPa。考慮到不同車道受到結(jié)構(gòu)層垂直于行車方向的約束基本一致，故在模型建立時僅選取一個車道寬度作為分析對象，具體臨界荷位示意圖見圖1所示。

表1 路面各結(jié)構(gòu)層組成及材料力學(xué)參數(shù)

表2 路面各結(jié)構(gòu)層材料熱物性參數(shù)

圖1 臨界荷位示意圖

按照路面結(jié)構(gòu)組成建立三維有限元數(shù)值分析模型，并通過材料參數(shù)的定義等完成路面結(jié)構(gòu)模型的實體化。在邊界條件約束時僅將結(jié)構(gòu)側(cè)面沿x軸方向采用部分約束，此時模擬側(cè)向邊坡與相鄰車道對路面結(jié)構(gòu)的側(cè)向作用力，同時將土基底面采用完全約束狀態(tài)，以模擬土基沿深度方向的無限整體性。建立有限元分析模型，其尺寸為3.75m×3.75m×2m，其中x方向代表行車方向，y方向代表路面橫斷面方向，z方向代表路面深度方向，路面結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

1.3 溫度場邊界條件

路面結(jié)構(gòu)溫度場來源于大氣熱交換形成的太陽輻射、空氣長波輻射及對流熱交換，其理論表達式為：

(1)太陽輻射

太陽與路表之間通過各種輻射傳遞熱量，采用分段函數(shù)近似表示出太陽輻射q(t)的日變化過程。

(1)

式中：q0—中午最大輻射，q0=0.131mQ，m=12/c；

Q—日太陽輻射總量，J/m2；

c —實際有效日照時數(shù)，h；

ω—角頻率，ω=2π/24，rad。

(2)空氣長波輻射

空氣長波輻射呈現(xiàn)出周期性的變化特征，但從最低氣溫上升至最高氣溫不足10h，而從最高氣溫降至最低氣溫則需要14h以上，因此采用兩個正弦函數(shù)的線性組合來模擬氣溫的日變化過程。

(2)

ω—角頻率，ω=2π/24，rad；

t0—初相位，最大太陽輻射與最高氣溫的出現(xiàn)時間差加7，一般情況下，設(shè)時間差為2h，為此，可以取t0=9；計算時，t以小時計。

(3)對流熱交換

路面表面與大氣產(chǎn)生熱交換的對流熱交換系數(shù)hc主要受風(fēng)速νw的影響，兩者之間呈線性關(guān)系。

hc=3.7νw+9.4

(3)

式中：hc—對流熱交換系數(shù)，W/(m2·℃)；

νw—日平均風(fēng)速，m/s。

2 無機結(jié)合料穩(wěn)定基層路面結(jié)構(gòu)低溫開裂分析

當路面結(jié)構(gòu)所處的大氣溫度下降時，面層和基層均會產(chǎn)生不同程度的收縮變形，但該種收縮變形會受到相鄰結(jié)構(gòu)層的摩阻力和路面無限連續(xù)板體的約束作用，使得路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，建立季凍區(qū)冬季低溫環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)的溫度場，將該預(yù)定義場作為環(huán)境基礎(chǔ)進行路面結(jié)構(gòu)在低溫應(yīng)力下的開裂分析。

2.1 低溫環(huán)境下路面溫度應(yīng)力分析

(1)低溫環(huán)境下日溫度場分布情況

建立路面結(jié)構(gòu)隨環(huán)境變化的熱分析模型，通過定義冬季低溫環(huán)境下一天24h內(nèi)的溫度得到在不同時間點路面各結(jié)構(gòu)層的溫度分布狀況，見圖3所示。

圖3 冬季嚴寒氣候下路面結(jié)構(gòu)溫度場分布狀況

由圖3可知，當固定路面深度方向時，不同結(jié)構(gòu)層溫度隨時間均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，且日溫度最高值出現(xiàn)在下午14時；當固定時間方向時，由于熱量傳遞和散失，隨深度的增加溫度梯度逐漸減弱，當深度達到0.6m時熱傳遞效果基本喪失，僅維持在設(shè)定的原始溫度。

(2)日循環(huán)作用下溫度應(yīng)力分析

隨著路面結(jié)構(gòu)溫度場的變化，各結(jié)構(gòu)層由于其材料屬性的差異，會隨著時間的推移形成溫度應(yīng)力的累積，通過對比路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度應(yīng)力的動態(tài)變化狀況，并截取溫度應(yīng)力在不同結(jié)構(gòu)層關(guān)鍵時間點的應(yīng)力云圖。

通過分析可知，在熱傳遞效應(yīng)作用初期，此時溫度梯度影響范圍較淺，因此溫度應(yīng)力集中在上面層，應(yīng)力值僅為0.04MPa，但隨著時間的推移，熱傳導(dǎo)影響下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力逐漸增大，結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大主應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移，此時基層頂面出現(xiàn)拉應(yīng)力，并在15時左右的拉應(yīng)力最大，但最大拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移至基層底面，而基層在低溫應(yīng)力作用下出現(xiàn)收縮應(yīng)變，層間作用對面層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束，因此在24時面層頂部出現(xiàn)了部分溫度應(yīng)力。由于路面結(jié)構(gòu)最大溫度應(yīng)力最先出現(xiàn)在底基層底部，因此在進行路面結(jié)構(gòu)開裂分析時，主要關(guān)注底基層底部的應(yīng)力狀況。

2.2 路面結(jié)構(gòu)開裂機理分析

由于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度應(yīng)力是長期累積作用形成的，因此筆者采用分段模擬累積的方式，多次設(shè)定場荷載變量，實現(xiàn)將前一次的溫度應(yīng)力結(jié)果循環(huán)加載至路面結(jié)構(gòu)上，進而完成長期低溫環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)累積溫度應(yīng)力的分析。結(jié)合路面結(jié)構(gòu)最大溫度應(yīng)力的出現(xiàn)位置，針對底基層底部進行溫度應(yīng)力時空曲面的繪制。

圖4 低溫條件下34d時水泥穩(wěn)定碎石底基層底部溫度應(yīng)力分布情況

由圖4可知，路面底基層底部的溫度應(yīng)力隨著時間的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，表明無機結(jié)合料穩(wěn)定材料在應(yīng)力作用下伸縮變形能力差導(dǎo)致應(yīng)力的不斷累加，最終超過其極限抗拉強度出現(xiàn)破壞。在經(jīng)過34d的低溫循環(huán)后其底部出現(xiàn)的拉應(yīng)力達到1.53MPa，此時超過了水泥穩(wěn)定碎石能承受的極限抗拉強度1.5MPa，因此此時底基層結(jié)構(gòu)沿下部發(fā)生開裂。隨后當裂縫擴展至面層底部時會進一步破壞面層結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致面層形成常見的反射裂縫。

3 無機結(jié)合料穩(wěn)定基層路面結(jié)構(gòu)永久變形分析

由于瀝青混合料在高溫環(huán)境下呈現(xiàn)出黏彈塑性的特點，因此高溫環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力集中狀況得到了極大改善，此時材料的過度松弛導(dǎo)致其抵御外部荷載作用的能力下降，因此在車輛荷載的重復(fù)作用下面層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變累積，并在長期作用下在路表形成車轍病害，筆者針對車轍形成過程與病害類型進行分析。

3.1 高溫環(huán)境下路面永久變形作用理論

(1)高溫環(huán)境下日溫度場分布情況

以冬季建立溫度熱分析模型為基礎(chǔ)，調(diào)整大氣溫度參數(shù)進行夏季高溫氣候下路面溫度場分布狀況模擬，見圖5所示。

圖5 夏季炎熱氣候下路面結(jié)構(gòu)溫度場分布狀況

由圖5可知，夏季炎熱氣候下溫度場變化趨勢并未發(fā)生太大的變化，均與大氣溫度隨時間的變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且最高溫主要出現(xiàn)在瀝青面層表面。隨后，與圖3中冬季嚴寒氣候下的溫度場相比，整體變化幅度有所增大，進一步表明瀝青混凝土的高溫感溫性能較低溫時更加敏感。

(2)循環(huán)荷載作用理論

在瀝青路面結(jié)構(gòu)中分析其抵抗永久變形的能力是評價路面結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的重要指標，這是由于瀝青混凝土屬于粘彈塑性材料，在自然氣候與車輛荷載的長期循環(huán)作用下，會形成一個永久的不可逆的塑性變形。筆者僅采用夏季高溫時期設(shè)計年限內(nèi)行車荷載作用次數(shù)，并按照每天24小時非均勻分布的特點換算成累計作用時間，以達到將荷載分布與溫度變化相結(jié)合的目的。

(4)

式中：t—輪載累計作用時間，s；

N—軸載作用次數(shù)，次；

P—車輛軸重，kN；

nw—軸的輪數(shù)，個；

p—輪胎接地壓力，MPa；

B—輪胎接地寬度，cm；

v—行車速度，km/h。

根據(jù)式(4)計算得知軸載一次作用時間為0.007545s，筆者結(jié)合京哈線夏季高溫時期設(shè)計年限內(nèi)軸載作用次數(shù)換算成標準軸載為1.25×106萬次，等效為9431.2s的車輛荷載累計作用時間。按照1天24小時內(nèi)不同時段的交通量分布情況，近似獲得每小時荷載的分段累計作用時間，如表3所示。

表3 24h內(nèi)不同時段軸載累計作用次數(shù)

3.2 路面結(jié)構(gòu)永久變形分析

筆者根據(jù)瞬態(tài)分析的原則將行車荷載累計作用時間按照不同時段進行分解和施加，完成路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載和自然氣候雙重因素耦合作用下累計變形狀況分析，施加荷載后路面結(jié)構(gòu)永久變形狀況見圖6所示。

由圖6可知，高溫氣候下瀝青路面在車輛荷載的作用下產(chǎn)生瞬時應(yīng)變，由于瀝青混凝土具有蠕變特性，長期荷載作用下部分應(yīng)變無法完全恢復(fù)，因此沿渠化交通輪跡帶處形成明顯的車轍病害。如圖6(a)所示，永久變形在路表影響范圍不只出現(xiàn)在車輛荷載作用區(qū)域內(nèi)，在車輛荷載作用周邊也出現(xiàn)了一定的微應(yīng)變，表明路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下橫斷面上均出現(xiàn)了明顯的變形。對比路面結(jié)構(gòu)永久變形局部區(qū)域情況，如圖6(b)所示，永久變形影響深度主要集中在面層和基層結(jié)構(gòu)內(nèi)，且微應(yīng)變影響深度可達到45cm，表明車轍病害發(fā)生在面層和基層全深范圍內(nèi)，此時路面結(jié)構(gòu)整體性受到嚴重破壞。

圖6 路面結(jié)構(gòu)溫度場及其永久變形狀況

圖7 車輪荷載下永久變形空間分布情況

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限內(nèi)車輛荷載作用下局部區(qū)域永久變形示意圖，繪制車輪荷載下永久變形空間分布曲面圖。由圖7可以看出，路面最大凹陷處出現(xiàn)在車輪荷載正下方，凹陷深度為1.80cm，該種深度的車轍病害對高速行駛的車輛而言存在嚴重的安全隱患。同時，對比車輪荷載作用周邊可知，沿路面寬度方向永久變形可影響到0.375m的橫向范圍，此時路面永久變形深度為0.67cm，進一步證明該種路面結(jié)構(gòu)線永久變形的橫向影響范圍較寬，橫斷面呈現(xiàn)出明顯的U型，可以判定該路段出現(xiàn)的是典型的結(jié)構(gòu)型車轍。

4 結(jié)論

(1)對于季凍區(qū)無機結(jié)合料穩(wěn)定基層路面結(jié)構(gòu)，冬季低溫和夏季高溫環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場分布趨勢卻基本一致，同時夏季高溫環(huán)境下溫度變化幅度是冬季低溫的1.86倍，表明瀝青混凝土的高溫感溫性能較好。

(2)無機結(jié)合料穩(wěn)定基層路面結(jié)構(gòu)由于基層抗變形能力差、抗彎拉強度低的特點，雖未直接與大氣環(huán)境相接觸，但低溫環(huán)境下產(chǎn)生收縮應(yīng)力導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)底部最先出現(xiàn)開裂破壞，此時面層結(jié)構(gòu)內(nèi)的低溫應(yīng)力并不足以導(dǎo)致面層出現(xiàn)破損。因此，無機結(jié)合料穩(wěn)定基層路面結(jié)構(gòu)裂縫主要是由基層底部裂縫逐漸擴展并反射至面層而形成的。

(3)無機結(jié)合料穩(wěn)定基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在高溫氣候與渠化交通的共同作用下會出現(xiàn)明顯的車轍病害，永久變形影響深度為面層和基層全深度范圍內(nèi)，且永久變形橫斷面影響范圍較寬，表現(xiàn)出U型凹陷變形，表明該種路面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較為嚴重的結(jié)構(gòu)型車轍病害。