層間接觸狀態對瀝青路面結構的力學響應分析

朱林濤

（汕頭大學，廣東 汕頭 515063）

0 引言

我國瀝青路面的設計方法是以彈性層狀體系理論為基礎的，能夠較好地反映瀝青路面的分層鋪裝特性和應力狀態，一般可以作為力學-經驗法的理論模型。該理論要求在實際應用和施工過程中，瀝青路面各層構造在接觸條件上滿足層間完全連續性以及材料的彈性、受力均勻性和材料、受力各向同性的理論假設。在實際的瀝青路面施工過程中，為了保證層與層之間的施工質量，現已有眾多技術措施來支持，比如設置粘層、透層、封層，更能夠根據不同的狀況靈活地選取幾種技術措施。但是因為路面作業的交叉與間斷操作，或者由于車輛與人通行之后清掃不及時，導致瀝青各個面層之間或基層與下面層之間的黏結性能受到影響，遇水后會形成淤泥，從而造成污染。路面各個結構間的黏結狀態由連續轉變為半連續、甚至滑動狀態，這一變化使路面的完整性和使用壽命受到重大影響。因此，以彈性層狀體系理論為基礎，從實際受力狀態出發，充分考慮路面結構的實際接觸情況，才能獲得路面設計最理想的效果。

1 對瀝青路面應力的相關分析

1.1 彈性層狀體系理論

路面設計時，以瀝青混凝土路面為例，它的設計規范依據是彈性層狀體系理論。關于瀝青路面結構的設計從過去到現在有眾多的理論基礎，此彈性層狀體系理論已經能夠較好地反映路面結構的實際受力狀態，因此在計算時多采用該理論。并且隨著計算機技術的迅速發展，利用計算機對彈性層狀體系結構（瀝青路面結構）進行精確計算，使得利用計算機對數據結果加以修正以獲得可靠的數據信息的目的得以實現。

1.2 有限元分析方法

應用有限元方法對瀝青路面結構層間接觸狀態進行研究主要形成了兩種思路。第一種是根據已有的路面設計軟件和自己編寫的有限元程序來改變層間剪切模量的方法來實現。第二種是利用大型有限元軟件如ansys、abaqus等，設置不同的層間摩擦系數來對應不同的路面層間接觸狀態。有限元軟件的出現為解決復雜結構的受力計算問題提供了有力的保障和支持。路面層間接觸的分析屬于非線性分析的范疇，有限元分析對于由于車輛荷載和溫度引起路面的非線性變化有完善的計算系統。車輛行駛過程中可能會面臨時經常性的剎車制動與起步，這一過程會產生水平作用力，在接觸分析這一領域還可以研究水平制動力對瀝青面層的力學響應，利用已建好的有限元模型分析各個力學指標的變化規律。

1.3 流變學和黏彈性力學

這兩種學科發展至今已有50多年的歷史，主要被國外學者應用來研究一些材料的特性。對瀝青路面所受荷載的加載規律研究發現，路面結構上主荷載——車輛驅動荷載既屬于一種動態荷載，又具備瞬時荷載的循環重復的加載特點，所以瀝青路面在這種車輪的驅動荷載作用下明顯會出現應變滯后現象和應力松弛現象。這兩門科學為系統地研究和闡述瀝青路面結構受力的機理提供了重要的理論支持的指導，然后以此為前提提出一種科學的檢測方法，使計算所得的數據準確科學。

2 層間接觸狀態對瀝青路面結構的力學響應分析

2.1 瀝青路面結構材料參數的確定

2.1.1 瀝青路面結構材料參數

在進行有限元分析的時候，需要解決以下幾個方面的問題：建立合適的計算模型，劃分合理的網格方便計算和便于精準計算，充分考慮幾何邊界條件等問題。同時，還需要選擇適當的參數值來區分不同的接觸類型，本文將通過設置不同的摩擦系數來區分。在確定模型尺寸的時候，先參考相關文獻中瀝青路面的理論模型尺寸，再結合計算的需求、有限元軟件分析計算速度和計算機的計算運行因素，建立模型尺寸長寬高分別為5m×5m×2m（長×寬×高）。網格劃分的時候為了更好地接近實際狀態和方便準確的計算分析，可以依據的原則是根據荷載作用區域的影響范圍，車輛荷載作用較近的區域劃分為密集網格，荷載作用較遠的區域劃分為稀疏網格。根據已有高速公路的材料參數確定本文路面結構材料參數，如表1所示。

荷載作用的計算模型為雙圓均布荷載。一側兩個車輪的總載荷為50kN，載荷圓半徑為10.65cm。

2.1.2 根據接觸狀態計算分析

接觸分析的研究思路是在有限元軟件中將其設置為約束狀態，這個是可以通過有限元軟件設置功能來實現的，并以此模擬路面結構層的整體受力，將計算結果與彈性層狀體系理論模型數據進行對比，證明本模型的合理性。針對接觸和連續兩個模型在彎沉和剪應力等力學指標做一個計算結果的分析對比。再針對接觸模型，改變不同的摩擦系數來對應不同層間接觸狀態，最后得出接觸模型更符合路面的實際受力狀態，接觸模型的計算結果更有利于指導工程施工、路面設計等。

2.2 不同接觸狀態數值計算

2.2.1 不同接觸狀態最大剪應力數值計算

使得瀝青路面結構層產生病害的原因有很多，但剪應力在其中發揮著不可忽視的作用。在摩擦系數μ=0.5的連續模型和接觸模型中，沿垂直結構層的最大剪應力出現在層底。從上到下，連續模型的最大剪應力低于接觸模型的最大剪應力，且沿截面的變化趨勢更加緩和。計算結果對比分析如圖1，2所示。

表1 國內知名高速公路材料參數

通過對兩層底部剪應力曲線圖的對比分析，發現最大剪應力均出現在載荷區域以下的邊緣，接觸模型上層最大剪應力的變化趨勢大于連續模型上層的變化趨勢，與檢測數據對比，接觸模型更符合路面的實際應力狀態。連續模型（理想模型）中的最大剪應力和整體剪應力相對于實際受力較小，且應力擴散現象出現在地基中，以此結果進行路面設計將導致路面結構層厚度的不足。兩種模型的剪應力對比如2所示。

2.2.2 層面彎沉值計算

在JTGD50—2017《公路瀝青路面設計規范》中，路面施工結束時，為保證路面結構的強度和承載能力達到相應的指標要求，設置了一系列力學指標，彎沉值就是其中一項重要的檢測指標。但是，調查結果顯示，大多數正在使用的高速公路，實際檢測的路面彎沉值與路面損壞之間無明顯的關聯。也就是說，公路正常使用的時候，瀝青路面層與層交接的地方接觸狀態和相互作用的方式逐漸改變。應用有限元軟件對瀝青路面結構進行力學分析時，設置不同的層間摩擦系數來對應不同的層間接觸狀態。綜合考慮不同的層間接觸狀態，從接觸良好（μ=0.7）到接觸不良（μ=0.3），計算所得彎沉值的數值曲線如圖3～5所示。

圖1 連續模型層底剪應力曲線

表2 兩種模型最大剪應力值及增幅

圖2 接觸模型層底剪應力曲線

圖3 面層彎沉值計算結果

圖4 基層彎沉值計算結果

圖5 底基層彎沉值計算結果

根據曲線圖可以看出，靠近單圓軸中線的位置發生較大的變形，撓度達到峰值，兩圓間隙內范圍撓度變形較大，距離荷載作用范圍越遠，撓度變形越小。撓度大小變化規律與距離荷載作用區的遠近有關，跟不同的摩擦系數無關。摩擦系數對應著層間接觸的程度，摩擦系數越小，層間不連續程度增加，瀝青面層底部撓度大小幾乎無變化，底基層底部撓度增大趨勢最為明顯，增加了25.6%，瀝青路面結構總彎沉主要部分就是底基層底部產生的撓度變形。各層在不同摩擦系數下的最大撓度值如表3所示。

3 瀝青路面應力的影響因素分析

3.1 瀝青層厚度對應力分布的影響

本文為研究瀝青路面厚度與其應力分布的作用機理，選取4種厚度分別為8，12，15，18cm的瀝青路面，建立了不同厚度的路面有限元模型，選擇剪應力為主要研究力學指標。主要結論如下：①瀝青路面結構的瀝青面層厚度是影響瀝青路面受力狀態和強度的重要因素；②當瀝青路面厚度超過18cm時，瀝青路面與基層之間的剪應力趨于零，而瀝青路面的剪應力則隨著瀝青路面厚度的增加而增大。③瀝青路面面層厚度越小，瀝青面層與基層之間的剪應力越大。

3.2 瀝青路面模量對應力的影響

瀝青路面出現車轍是很常見的現象，它的產生是多種因素綜合作用的結果，溫度影響和荷載是兩個重要原因。由于瀝青路面材料具有黏彈性，應力引起的車轍實際上是瀝青路面材料在高溫作用下的狀態變化。因此，路面層車轍的產生不僅與路面所受荷載產生應力有關，而且受溫度的影響比較明顯。瀝青混合料的受力狀態隨溫度而改變的特性，直接對路面質量產生影響。在高溫狀態影響下，瀝青混合料具有黏彈性、塑性體性質，承受車輛帶來的荷載壓力和少量的應力作用時，會產生由于溫度變形而產生的變形力，這種力會對瀝青路面結構帶來永久性的破壞，路面遭到破壞之后，車輛的正常行駛也受到了影響。溫度對瀝青路面的剛度模量會產生十分顯著的影響。混合料的剛度模量隨著溫度的升高而降低，成反比例關系，瀝青路面剛度模量降低對路面受力的影響大。

4 結語

比較分析之后可以得出以下結論：路面結構層表層的剪應力較大的時候，底層的剪應力也達到峰值。基層或下部基層的路面厚度會影響路面瀝青層的變形，大體成正比例關系。對瀝青路面結構設計和使用年限分析時，除了考慮路面的荷載作用外，還應考慮到在高溫下的穩定性。當路面模量減小時，路面內部的激振力略有提高，這時路面如果受到高溫的影響就容易發生由溫度應力引起的破壞。而提高或減小基層厚度和模量等變化時，路面剪應力大小的變化不顯著。

表3 不同摩擦系數下最大彎沉值 mm