基于有限元的層間接觸對瀝青路面力學響應影響研究

冉升財

(徐州市交通規劃設計研究院 徐州市 221006)

0 引言

根據《公路瀝青路面設計規范(JTG D50-2017)》中對瀝青路面力學結構模型計算的規定，在進行路面結構設計和驗算時，均采用多層彈性層狀連續模型。且施工規范要求，在面層施工前，需在基層上設置透層封層等層間粘結處治措施；瀝青各面層之間施工時，需要灑布粘層油，通過此類技術措施來保證各層之間形成緊密的整體[1]。但在路面實際施工過程中，由于材料和施工工藝等因素，導致基層和面層之間不能夠達到完全的連續接觸。如瀝青各面層結構之間會因間斷施工、粘層油灑布不均以及施工車輛污染等因素導致層間接觸不連續，甚至產生滑動[2-4]。路面使用過程中，在溫度、車輛荷載等綜合作用下，其層間接觸會逐漸變化，相應的力學特性亦發生改變，路面的性能與設計時相比發生偏差[5-8]。目前對于路面層間粘結處治施工及設計進行了較廣泛研究，但較多研究仍偏向于定性的分析[9]，對于不同接觸狀態下路面力學響應具體的數值變化研究相對較少，且由于路面結構形式及材料的差異導致相關研究缺乏針對性。

基于此，為了對層間接觸狀態對路面結構的影響有更為準確的定性認識，針對典型半剛性基層瀝青路面結構，采用Ansys有限元分析軟件，選取三種層間接觸狀態(連續、弱連續、光滑)，對不同接觸狀態下各結構層力學響應進行計算分析，進而對路面結構設計與施工進行探討。

1 數值模型參數設置及模型建立

1.1 路面荷載模型參數設置

在路面結構設計中，根據規范一般是將行車荷載的作用范圍按照圓形均布荷載來計算。但現有的研究成果表明，當輪胎與路面接觸時，其接觸面隨荷載的增加逐漸趨于矩形。為了簡化計算，在建立荷載模型時，將荷載作用面積近似為矩形，考慮到輪胎胎面花紋的存在使得車輪與路面接觸的實際有效面積比印痕內的總接地面積小。因此該文進行力學計算時，不僅考慮了作用面積的折減，還考慮了車胎花紋的影響，并將其反映到接地長度或寬度上，因此采用的折減系數取75%。折減時輪胎整個作用面尺寸是固定不變的，為便于計算時每個單元的劃分，將折減形式簡化為如圖1所示(陰影部分表示荷載作用位置)，荷載均勻地分布在陰影范圍內。

圖1 輪胎接地面積及接地壓力

建立的荷載模型參數基于某品牌HF150重型貨車進行計算，車型的相關指標及計算參數見表1。

表1 車輛參數及計算參數

1.2 瀝青路面結構參數設置

路面的結構形式對于其力學計算有著很大的影響，對于不同結構組合，其模型參數有較大的不同。該文擬采用典型路面結構進行力學分析，面層結構分為上、中、下3層結構，基層和底基層均采用水泥穩定碎石基層，材料抗壓回彈模量參照《公路瀝青路面設計規范》。計算參數如表2所示。

表2 半剛性基層路面結構

1.3 有限元數值模型建立

根據已有的荷載和結構相關數據，在Ansys中建立三維路面結構模型，如圖2所示。根據汽車軸載和輪胎接地面積的大小，為了消除尺寸效應的影響，將模型的平面尺寸設置為2.5m×2.5m，Z向高度尺寸則根據計算的路面整體結構厚度和設計理論彎沉值進行設置。計算單元設置為八節點等參數，結合路面實際情況設置四周及地面無位移的邊界限制條件。

圖2 三維有限元模型

基層與面層之間的層間接觸狀態分為完全連續、弱接觸及完全光滑3種(弱接觸時基層與面層之間設置接觸單元，摩擦系數為0.2，完全接觸時摩擦系數為0)，有限元模型如圖2所示。

2 不同接觸狀態下的力學響應分析

基層與面層之間接觸狀態的變化將導致路面結構應力響應的變化，針對層間不同接觸狀態(包括連續、弱接觸及光滑3種狀態)，對典型路面結構的應力響應進行對比分析，主要分析瀝青層底拉應力(變)，基層底基層拉應力、各種結構層層間剪應力及瀝青層內的最大剪應力的變化規律，計算結果如表3～表6所示。

表3 不同接觸狀態下瀝青層底拉應力(單位：MPa)

表4 不同接觸狀態下瀝青層底拉應變

表5 不同接觸狀態下層間剪應力

表6 不同接觸狀態下基層拉應力(單位：MPa)

表7 不同接觸狀態下瀝青層最大剪應力及路表彎沉

由以上計算結果分析可知：

(1)不同接觸狀態下各結構層縱向拉應力對比：

①在層間完全連續條件下，瀝青各結構層層底均受壓應力，而當層間接觸狀態變為弱接觸時，瀝青結構層層底為拉應力，而當層間完全光滑時，瀝青層層底拉應力迅速增大，尤其是下面層層底縱向拉應力急劇增大到0.1860MPa，極大地增大了發生橫向裂縫的風險；

②基層和底基層層底拉應力的對比也說明了層間接觸狀態由連續狀態轉變為光滑，將導致基層和底基層層底拉應力的增大，但是增幅較瀝青下面層拉應力的增幅要小得多；

③盡管瀝青層底承受水平向的壓應力，但是其仍處于一定的拉應力狀態中，這也說明我國設計規范中仍以瀝青層底部的拉應力作為設計指標，是值得商榷的。

(2)瀝青各結構層底部的拉應變變化：層間接觸變弱將會導致瀝青層底拉應變增大，其中仍以下面層底部的縱向拉應變的增幅最大，光滑條件下層間的縱向拉應變比完全連續時的大6倍以上。

(3)不同接觸狀態下各結構層間剪應力對比：

①在光滑狀態下基層與面層之間的橫向層間剪應力為0.0101MPa，這主要是受到邊界條件的影響，如果邊界無約束條件，當層間光滑時，層間剪應力應該為0，與層間連續時相比大為減小；

②中面層與下面層之間、中面層與上面層之間的剪應力，隨著層間接觸條件變為光滑，略有增大，但是增幅有限。

(4)不同接觸狀態下路表彎沉對比：路表彎沉受層間接觸狀態的影響較大，與層間連續時相比，層間光滑時路表彎沉增大了12.5%，可以看出層間接觸狀態對整體結構強度的影響很大。

3 結論

采用有限元程序建立路面結構模型，通過對不同層間接觸條件下瀝青路面面層結構分析，得出以下結論：

(1)在層間完全連續條件下，瀝青各結構層層底均受壓應力，而當層間接觸狀態變為弱接觸時，瀝青結構層層底變為拉應力，而當層間完全光滑時，瀝青層層底拉應力迅速增大，路表彎沉也急劇增大，極大地增加了發生橫向裂縫的風險。

(2)基層和底基層層底拉應力的對比也說明了層間接觸狀態由連續逐漸轉變為光滑，將導致基層和底基層層底拉應力的增大，但是增幅較瀝青下面層拉應力的增幅要小得多。

(3)盡管瀝青層底承受水平向的壓應力，但是其仍處于一定的拉應變狀態中，這也說明我國設計規范中仍以瀝青層底部的拉應力作為設計指標，是值得商榷的。

(4)結構層間接觸狀態的變化將會引起結構層內應力波動，使得主應力應變向不利方向發展，所以路面層間接觸的設計和施工顯得更加重要。