重載下層間局部粘結(jié)失效對(duì)瀝青路面應(yīng)力應(yīng)變的影響

杜 銘

(重慶兩江交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，重慶 401147)

1 概述

瀝青路面的設(shè)計(jì)研究是將瀝青路面各層看成均質(zhì)、各向同性、各層連續(xù)的層狀體，主要考慮層間接觸狀態(tài)的整體變化，即假設(shè)瀝青路面的結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)狀態(tài)完全一致。但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆心和道路使用過(guò)程中調(diào)查的結(jié)果表明：瀝青路面實(shí)際層間接觸狀態(tài)往往不是完全接觸，層與層之間的接觸變化也是不同的。層間接觸破壞通常是一個(gè)漸變的過(guò)程，由最初的一小塊區(qū)域逐漸延伸，最后導(dǎo)致路面發(fā)生破壞。這種破壞在重載道路上尤為突出，因此研究重載作用下基面層的局部粘結(jié)失效對(duì)揭示瀝青路面破壞具有重要意義。

2 在ABAQUS中局部層間接觸狀態(tài)的模擬

2.1 有限元模型參數(shù)

本文采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，建立有限元模型，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，為了方便建立模型，加載區(qū)域采用矩形。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算發(fā)現(xiàn)模型尺寸只要大于3倍的雙輪加載的間距，即可滿足精度要求，因此綜合考慮計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精度，初步選擇6 m×6 m×6 m模型尺寸。

2.2 ABAQUS中摩擦的定義

在兩個(gè)表面發(fā)生接觸時(shí)，在接觸面之間一般會(huì)傳遞法向和切向兩個(gè)力，這樣在分析中就要考慮阻止表面之間相對(duì)滑動(dòng)摩擦力。在ABAQUS中用庫(kù)侖摩擦模型τcrit=μP來(lái)描述接觸面之間的摩擦行為。其中，μ為摩擦系數(shù)；P為兩個(gè)接觸面之間的接觸壓力。

模擬理想的摩擦行為是極為困難的，因此，ABAQUS使用一個(gè)容許“彈性滑動(dòng)”的摩擦計(jì)算公式，“彈性滑動(dòng)”是在粘結(jié)的接觸面之間發(fā)生的小量相對(duì)移動(dòng)，ABAQUS會(huì)自動(dòng)選擇剛度，并且這個(gè)“彈性滑動(dòng)”是單元特征的很小一部分。

模擬計(jì)算中認(rèn)為基層和面層之間能夠傳遞接觸壓力，且大小不受限制，當(dāng)接觸壓力變?yōu)樨?fù)值或0時(shí)，兩個(gè)接觸面發(fā)生分離，并且相應(yīng)結(jié)點(diǎn)上的約束會(huì)失效。其他區(qū)域的接觸面在整個(gè)分析過(guò)程中都是始終緊密接觸的，相當(dāng)于將兩個(gè)部分定義為一個(gè)整體。

2.3 工況分析

為了研究失效區(qū)域的大小對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響，在基層頂以荷載作用的中心為重心，以平行和垂直于行車方向的線段做正方形形狀的粘結(jié)失效區(qū)，正方形的邊長(zhǎng)分別取0.1 m，0.2 m，0.4 m，0.6 m，然后分別取軸載為100 kN,200 kN,300 kN對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。為了研究半失效狀態(tài)(摩擦系數(shù))對(duì)力學(xué)指標(biāo)的影響，本文取局部粘結(jié)區(qū)正方形邊長(zhǎng)為0.6 m，摩擦系數(shù)分別取0.1，0.5，0.8，1.0，1.5；在荷載作用下觀察其力學(xué)指標(biāo)的變化，并與完全粘結(jié)和完全失效進(jìn)行對(duì)比。由計(jì)算可知，層間接觸模型對(duì)壓應(yīng)力、無(wú)機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力和土基頂面壓應(yīng)變影響較小，因此本文主要選取最大剪應(yīng)力和瀝青層層底拉應(yīng)變作為力學(xué)指標(biāo)。

3 層間粘結(jié)狀態(tài)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響

3.1 層間粘結(jié)狀態(tài)對(duì)剪應(yīng)力的影響

圖1為不同粘結(jié)失效區(qū)域?qū)魬?yīng)力深度方向的影響。考慮局部層間粘結(jié)失效區(qū)域時(shí)的最大剪應(yīng)力在深度方向上的變化規(guī)律同未考慮粘結(jié)失效區(qū)域的基本相同，最大值在上面層底部取得，軸重相同時(shí)各工況下最大值的數(shù)值近似相等；考慮粘結(jié)失效區(qū)域和未考慮粘結(jié)失效區(qū)域的剪應(yīng)力相比，唯一的區(qū)別是在下面層底的位置，考慮局部粘結(jié)失效時(shí)剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生減小的突變，且隨著失效區(qū)域面積的增大這種突變?cè)矫黠@。

隨著粘結(jié)失效區(qū)域的增大，中面層底粘結(jié)失效區(qū)域存在一側(cè)的剪應(yīng)力逐漸減小，粘結(jié)失效區(qū)域?yàn)?0 cm×60 cm時(shí)的剪應(yīng)力是完全粘結(jié)時(shí)的38%(見(jiàn)圖2)。

隨著摩擦系數(shù)的增大，下面層底剪應(yīng)力逐漸增大，剪應(yīng)力的最大值逐漸減小，但是整體而言，影響的效果不明顯，因此，摩擦系數(shù)對(duì)剪應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)(見(jiàn)圖3)。

3.2 粘結(jié)狀態(tài)對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變的影響

由計(jì)算可知：

當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域小于20 cm×20 cm，沿行車方向的拉應(yīng)變?cè)谥忻鎸拥缀奢d作用區(qū)域中心位置取到最大值，當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域大于20 cm×20 cm，沿行車方向的拉應(yīng)變?cè)谙旅鎸拥缀奢d作用區(qū)域中心位置取到最大值；粘結(jié)失效區(qū)域的存在使得兩車輪荷載作用區(qū)域的拉應(yīng)變不再相等，并在失效區(qū)域的一側(cè)取得最大值。因此，局部粘結(jié)失效會(huì)使得瀝青路面產(chǎn)生不平衡的拉應(yīng)變，且該應(yīng)變大于不考慮粘結(jié)失效區(qū)域時(shí)的拉應(yīng)變，從而縮短路面的疲勞壽命(見(jiàn)圖4)。

隨著摩擦系數(shù)的增大，層底拉應(yīng)變的最大值逐漸減小，說(shuō)明瀝青層層底拉應(yīng)變變化趨勢(shì)逐漸向完全粘結(jié)時(shí)靠近，此時(shí)最大值的位置逐漸向中面層底靠近；隨著摩擦系數(shù)的增加，拉應(yīng)變最大值逐漸減小，因此，摩擦系數(shù)的增加會(huì)增大瀝青面層的疲勞壽命(見(jiàn)圖5)。

4 結(jié)論

本文采用有限元軟件ABAQUS對(duì)不同重荷載下的瀝青路面應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論有以下三點(diǎn)：1)局部粘結(jié)失效區(qū)域的存在使得粘結(jié)失效一側(cè)下面層層底的剪應(yīng)力減小，粘結(jié)失效區(qū)域越大，減小效果越明顯。2)隨著局部粘結(jié)失效區(qū)域的增大，中面層底和下面層底的拉應(yīng)變?cè)龃螅⑶耶?dāng)粘結(jié)失效區(qū)域較小時(shí)，拉應(yīng)變的最大值在中面層中取得，當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域較大時(shí)，拉應(yīng)變的最大值在下面層取得。3)摩擦系數(shù)及層間接觸狀態(tài)對(duì)最大剪應(yīng)力的影響很小，可以忽略不計(jì)。對(duì)拉應(yīng)變的影響較大，拉應(yīng)變最大值隨著摩擦系數(shù)的增大而逐漸減小。