冷熱-荷載共同作用下的半柔性路面特性研究

摘 要：本文利用ABAQUS建立半柔性路面數值模型，探究溫度冷熱循環和車輛荷載共同作用下半柔性復合路面的受力變形特性，結果表明：隨溫度上升，面層層底最大壓應力、剪應力和路表最大彎沉值均逐漸增加，最大剪應力的增長速率逐漸提高，最大壓應力呈現顯著的線性特征，而最大壓應變的增加速率逐漸平緩。隨著溫度降低，最大壓應力、剪應力、壓應變和路表最大彎沉值逐漸減少，且減少速率均逐漸平緩，且在溫度降低過程中，半柔性復合路面路表彎沉值主要受車輛荷載作用影響，對溫度變化未表現出較強的敏感性。在冷熱循環條件下，周期性的膨脹收縮會導致半柔性路面結構的內部應力變化劇烈，出現應力集中現象，導致疲勞開裂。

關鍵詞：半柔性路面；車輛載荷；變形規律；冷熱循環；力學響應

中圖分類號：U 41" " " " " " 文獻標志碼：A

半柔性路面是一種兼具韌性與剛性的新型路面，它通過在大孔隙、開級配的瀝青混合料基層中灌注以水泥為主要黏結劑的漿體復合物制成[1]。這種路面因其卓越的道路使用性能和抗疲勞特性，在機場、停車場、海港等承受高負荷的區域內得到了廣泛應用[2-4]。但半柔性路面是復合結構材料，容易產生開裂病害[5-6]，因此大量學者對半柔性路面材料開裂規律進行了研究。梁遐意[7]在水泥砂漿中摻加乳化瀝青，制備特殊型水泥砂漿，并采用間接拉伸疲勞試驗研究評價其對半柔性路面結構抗疲勞性能影響。試驗表明，乳化瀝青可顯著提升半柔性路面的抗疲勞性能，并且基體空隙率越大，半柔性路面結構的抗疲勞性能越低。秘榮明等[8]通過低溫劈裂試驗探究不同種類瀝青、油石比和纖維摻量對半柔性路面的低溫抗裂性能的提升效果。結果表明，選用高黏度改性瀝青、增加瀝青含量和摻入適量纖維可提高半柔性路面材料的低溫劈裂強度。

在某些地區，氣溫差異顯著，這種持續的溫差環境極易誘發半柔性路面的開裂現象。因此本文基于有限元方法，探究了溫度冷熱循環和車輛荷載共同作用下半柔性路面受力變形特性研究，以此分析路面開裂演變規律。

1 建立半柔性路面有限元模型

利用ABAQUS建立半柔性道路二維簡化數值計算模型。道路整體結構是帶狀構造物，寬度為6m，深度為5.5m，面層采用半柔性路面材料，基層層簡化為單層水泥穩定碎石層，面層厚度取10cm、基層厚度取30cm、底基層厚度取20cm、土基厚度取5m。模型網格采用 C3D8R 減縮積分單元，對輪胎荷載以下區域進行更精密單元劃分，以降低計算復雜度并保證結果準確性。模型如圖1所示。

設置模型下邊界為完全固定約束，左右邊界約束其水平方向的位移，上邊界為自由邊界。由于半柔性路面材料中瀝青混合料的彈性模量值受溫度變化影響顯著，因此通過改變面層的彈性模量值來實現數值模擬過程中的溫度周期性變化效果。道路各結構層材料參數見表1。

按照先增加后減少的規律周期性施加車輛荷載，胎壓為0.7MPa，軸重100kN。

2 冷熱循環過程半柔性路面受力變形特性分析

2.1 升溫過程面層層底受力變形特性分析

通過不斷降低面層彈性模量模擬升溫過程，溫度和車輛荷載共同作用下的面層層底受力變形特性如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著溫度升高，半柔性面層層底的最大壓應力逐漸增加。隨著溫度從20°C升至35°C，面層層底的最大壓應力從0.0967MPa增至0.4752MPa，面層層底最大壓應力隨著溫度升高呈現顯著的線性特性，溫度變化對最大壓應力的變化幅度未產生明顯影響，說明壓應力主要受車輛荷載作用的影響，而對溫度變化的敏感性較低。隨著溫度升高，半柔性復合路面面層的瀝青混合料受熱變軟，在車輛行駛過程中，車輪對道路面層部分施加的壓應力和剪應力的共同作用容易引發路表剪切破壞，導致開裂現象。

在溫度從20°C升至25°C 的過程中，面層層底最大剪應力從0.0968MPa增至0.1923MPa，在溫度從30°C升至35°C的過程中，面層層底剪應力從0.3057MPa增至 0.4877MPa，后者增長幅度是前者的2倍。隨著溫度升高，路面層底部的剪應力增長趨勢愈發顯著。路面底部與基層頂部之間存在高強度的壓應力，且無法有效釋放溫度變化誘發的體積變動所生成的應力，因此在結構內部形成應力集中效應。此效應使表面拉應力與內部剪應力進一步增加，加速了表層微小裂縫的擴展速度。

當溫度從20°C升至25°C時，面層層底的最大壓應變從5.29με增至9.99με，差值為4.7με；當溫度從30°C升至35°C時，面層層底最大壓應變從14.11με增至17.31με，差值為3.2με，最大壓應變增長速率呈現平緩趨勢。

2.2 降溫過程面層層底受力變形特性分析

通過不斷提高面層彈性模量模擬降溫過程，溫度和車輛荷載共同作用下的面層層底受力變形特性如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著溫度不斷降低，半柔性面層層底的最大壓應力逐漸減少，隨著溫度從25°C降至15°C，最大壓應力從0.6656MPa減至0.3646MPa；當溫度從10°C降至0°C時，最大壓應力從0.2602MPa 減至0.0846MPa，前者的降幅是后者的1.72倍。說明隨著溫度下降，壓應力的減速逐漸趨于平緩。半柔性面層在經歷升溫過程后，體積會發生膨脹，此時環境溫度開始降低，面層受冷發生收縮變形。基層變形具有滯后性，面層與基層的變形并不同步，因此在面層底部產生了顯著的壓應力集中現象，這種應力集中是裂縫萌生及擴展的誘因，在周期性的膨脹收縮變形下，會導致疲勞開裂。

隨著溫度不斷降低，半柔性面層層底的最大剪應力逐漸減少。當溫度從25°C降至15°C時，面層層底的最大剪應力從0.7309MPa減至0.3833MPa； 當溫度從10°C降至0°C時，面層層底最大剪應力從0.2875MPa減至 0.0963MPa，在相同降溫幅度下，前者的差值是后者的1.83倍，說明剪應力對溫度降低具有顯著的敏感性，隨著溫度降低，面層層底最大剪應力的減少速率逐漸變緩。在經歷冷熱交替循環作用后，表面裂痕與過渡層間的裂縫相互交織時，它們使表層趨向中心區域產生緩位移，但表層下方存在反向抵制的力量，這種現象在表層內部誘發了顯著的剪切應力。因此，隨著外部加載力逐漸減少，原本預期中剪應力減少的趨勢變得更為平緩。

當溫度從25°C降至15°C時，面層層底的最大壓應變從25.91με減至19.81με，差值為6.1με，當溫度從10°C降至0°C時，面層層底壓最大應變從15.61με減至5.67με，差值為 9.94με。在溫度從25°C降至0°C的過程中，壓應變的減少速率逐漸提高，因此在溫度較低的范圍內，面層底部的壓應變呈現出更為顯著的增加趨勢。

3 路表彎沉值分析

3.1 升溫過程路表彎沉值變化分析

升溫過程中路表彎沉值隨溫度的變化曲線如圖4所示。

從圖中可以看出，隨著溫度升高，路表最大彎沉值逐漸增加，當溫度從20°C升至25°C時，路表彎沉值從0.193mm增至0.294mm，增長幅度為0.101mm，當溫度從30°C升至35°C時，路表彎最大沉值從0.470mm增至 0.785mm，增幅為0.315mm，在相同升溫幅度下，后者為前者的3.12倍，說明隨著溫度升高，路表最大彎沉值的增長速率逐漸加快。

3.2 降溫過程路表彎沉值變化分析

降溫過程中路表彎沉值隨溫度的變化曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著溫度降低，路表最大彎沉值逐漸減少，半柔性材料彈性模量逐漸升高，材料硬化導致路表彎沉值逐漸減少。當溫度從25°C降至15°C時，路表最大彎沉值從1.64mm減至0.749mm，差值為0.515mm，溫度從10°C降至0°C時，路表最大彎沉值從0.530mm減至0.214mm，差值為0.316mm，減速變緩，但幅度變化并不顯著，說明在溫度降低過程中，半柔性復合路面路表彎沉值主要受車輛荷載作用影響，對溫度變化沒有太強的敏感性。

4 結論

本文利用ABAQUS建立半柔性路面數值模型，分析了在溫度冷熱循環和車輛荷載共同作用下半柔性復合路面的力學響應特性，得出以下主要結論。1）隨著溫度升高，面層層底壓應力、剪應力和路表彎沉值均逐漸增加，剪應力的增長速率逐漸提高，壓應力表現出顯著的線性特征，而壓應變的增加速率逐漸平緩。在這個過程中，路面底部與基層頂部之間有高強度的壓應力，且溫度變化引起的體積變動產生的應力無法有效釋放，因此在結構內部形成應力集中效應，使表面拉應力與內部剪應力的進一步增加，加快了表層微小裂縫的擴展速度。2）隨著溫度降低，最大壓應力、剪應力和路表最大彎沉值逐漸減少，且減少速率均逐漸變緩。表面裂痕與過渡層間的裂縫在經歷冷熱交替循環作用后會相互交織，這種現象使表層向中心區域出現位移，但表層下方存在反向抵制的力量，會在表層內部誘發顯著的剪切應力產生，因此，隨著外部加載力的逐漸減少，原本預期中剪應力隨之減少的趨勢會變得更為平緩。

參考文獻

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