瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析綜述

胡 寧

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

國(guó)內(nèi)外大量研究表明，對(duì)瀝青路面力學(xué)響應(yīng)影響比較明顯的因素主要有荷載、溫度以及各層間接觸狀態(tài)等。荷載的大小不同、作用的組合形式不同對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響不同。而瀝青又是一種典型的溫度敏感性材料，其力學(xué)特性隨溫度的變化而顯著變化。層間接觸狀態(tài)的良好與否，同樣也層間是否出現(xiàn)滑移剪切破壞的重要原因。研究在不同因素影響下的路面力學(xué)響應(yīng)，為更加科學(xué)合理的路面設(shè)計(jì)方案提供必要的參考。

1 荷載

在瀝青路面的力學(xué)性能分析時(shí)，通常把輪胎與路面的接觸面作為路面受力分析的影響區(qū)域。為了計(jì)算方便，一些學(xué)者對(duì)瀝青混合料模量的研究時(shí)，常將接粗面假定為規(guī)則的幾何圖形進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。而謝水友[2]等認(rèn)為，接觸面形狀與作用的荷載大小有關(guān)，當(dāng)作用的荷載較小時(shí)，接觸面形狀為橢圓形；當(dāng)作用的荷載較大時(shí)，接觸面的形狀為矩形。彭衛(wèi)兵[3]等人又認(rèn)為，輪胎與路面的接觸形狀應(yīng)該是一個(gè)矩形加兩個(gè)半圓的形狀。假定的接觸面形狀不同，力學(xué)分析所得的結(jié)果也就不同。

劉仕貴[4]采用了ABAQUS對(duì)瀝青混凝土路面進(jìn)行有限元計(jì)算分析，選擇了長(zhǎng)方形接觸面形狀作為分析模型的接觸面，采用了三維8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元建模，有限元模型如圖3。研究中結(jié)合實(shí)際，考慮了4種常見的荷載作用形式，分別是常載、超載、常載+剎車和超載加剎車，對(duì)著四種工況進(jìn)行路面力學(xué)分析。結(jié)果表明剎車引起的水平荷載對(duì)彎拉應(yīng)力、剪應(yīng)力峰值及剪應(yīng)力峰值位置的影響比較大，而超載對(duì)路表彎沉值、彎拉應(yīng)力影響都很顯著。

目前靜力學(xué)仍然是國(guó)內(nèi)瀝青路面的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，提出對(duì)動(dòng)荷載的影響僅僅是基于經(jīng)驗(yàn)的修正系數(shù)。為了計(jì)算方便，有時(shí)也把車輛荷載假設(shè)為大小不隨時(shí)間改變的恒載，但這往往與路面的真實(shí)受力狀況存在偏差[5]。張維全在動(dòng)荷載的作用下研究了路面力學(xué)響應(yīng)的規(guī)律。

在實(shí)際道路結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)荷載會(huì)使道路各結(jié)構(gòu)層存在阻尼，這會(huì)對(duì)道路的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生很大的影響。在阻尼結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算時(shí)采用應(yīng)用較為廣泛的粘性阻尼假設(shè)，即認(rèn)為材料的阻尼隨著速度的提高而變大，材料阻尼與速度成正比。在路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析中，單元的阻尼矩陣采用瑞利阻尼假設(shè)：

式中， α、β為阻尼系數(shù)。

通過建立有限元模型分析表明在移動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)具有拉、壓應(yīng)變具有一定的波動(dòng)特性，而且路面結(jié)構(gòu)層的層底應(yīng)變受到了車輛軸載和車輛速度等因素影響。

2 溫度

瀝青面層材料作為也種對(duì)溫度極其敏感的感溫材料，瀝青混合料的強(qiáng)度、勁度都隨溫度變化而變化。溫度不僅影響著路面材料的性能，同時(shí)影響著路面結(jié)構(gòu)。在以往的溫度對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)研究中，大多數(shù)研究?jī)H僅以統(tǒng)一的溫度值進(jìn)行路面分析，沒有考慮路面結(jié)構(gòu)沿深度方向存在著溫度梯度，難以真實(shí)分析溫度這一因素對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響。而針對(duì)這個(gè)問題，董澤蛟[9]等將溫度梯度這一因素考慮在內(nèi)，并且結(jié)合動(dòng)態(tài)荷載作用研究了溫度場(chǎng)及非均布移動(dòng)荷載作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)。

建立瀝青路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對(duì)路面各層材料參數(shù)及熱物理參數(shù)賦值。同時(shí)通過運(yùn)用ABAQUS軟件中實(shí)現(xiàn)了太陽輻射、空氣輻射換熱及對(duì)流換熱的作用，以便模擬更加真實(shí)的溫度場(chǎng)分布。結(jié)果表明：荷載對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響大于溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，但溫度場(chǎng)對(duì)響應(yīng)的幅值有影響；溫度場(chǎng)分布對(duì)豎向應(yīng)變、縱向應(yīng)變和剪應(yīng)變的影響較大，對(duì)橫向應(yīng)變值的影響較小。

在高原地區(qū)，晝夜溫差大，加之有凍土的情況，溫度對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響就更加明顯。王磊在研究溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，以青藏公路為依托，計(jì)算多年凍土地區(qū)的溫度應(yīng)力。其計(jì)算結(jié)果表明，瀝青路面面層厚度、材料的彈性模量及材料的線膨脹系數(shù)都對(duì)溫度應(yīng)力的影響巨大。特別在凍土地區(qū)，合理的選擇瀝青的用料、增加瀝青混凝土路面面層厚度、降低瀝青混凝土彈性模量和線膨脹系數(shù)等方法都能有效的減小路面的溫度應(yīng)力。

3 層間接觸狀態(tài)

瀝青路面結(jié)構(gòu)是多層式結(jié)構(gòu)，層間黏結(jié)的良好與否，路面的力學(xué)性能影響巨大。當(dāng)前我國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)是以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)，其將層間接觸條件假設(shè)為完全連續(xù)的。但在實(shí)際的施工過程中，路面都是分層修筑的，層間條件是不完全連續(xù)的。當(dāng)層間黏結(jié)得不好，就很容易會(huì)引起路面開裂和車轍等破壞。

李彥偉等為了研究瀝青路面層間接觸狀態(tài)對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響，分析了不同層間接粗狀態(tài)對(duì)路面力學(xué)性能的影響狀況。在建立結(jié)構(gòu)有限模型時(shí)，考慮到脫層失效理論具有能動(dòng)的反應(yīng)粘結(jié)潔面的強(qiáng)度損失，同時(shí)又能體現(xiàn)層間材料厚度、模量及損傷影響等優(yōu)勢(shì)，更真實(shí)地反應(yīng)半剛性基層的受力狀態(tài)，將脫層失效理論作為有限元建模的理論基礎(chǔ)。在對(duì)層間采用精銑刨、SBS改性瀝青及膠粉改性瀝青等層間處理措施，對(duì)其層間應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，在路面厚度小時(shí)，采用精銑刨處理和膠粉改性瀝青這類層間黏結(jié)力大的處理方式比較有效；當(dāng)路面厚度大時(shí)，一般的層間處理措施就能滿足要求。宋學(xué)藝也研究不同層間處治措施對(duì)路面粘結(jié)性能以及路面使用壽命的影響，得出煤油稀釋瀝青+SBS改性瀝青封層能夠更好的改善層間狀態(tài)，延長(zhǎng)路面的使用壽命。另外隨著路面層間接觸狀態(tài)的改善，荷載對(duì)路面力學(xué)的響應(yīng)也會(huì)越來越小。

高源較為系統(tǒng)地分析了層間接觸狀態(tài)對(duì)路面彎沉、面層底面拉應(yīng)力和和基層底面拉應(yīng)力等力學(xué)響應(yīng)的影響。得出在面層和基層由連續(xù)狀態(tài)到滑動(dòng)狀態(tài)過程中，路面的各層底部受力及路基頂面壓應(yīng)變都有明顯變化，尤其當(dāng)路面處于超載情況下，影響更為顯著。白雪梅、張艷紅等分析路面力學(xué)響應(yīng)時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)層間接觸狀態(tài)對(duì)路面彎沉、層間最大剪應(yīng)力沒有顯著影響，而認(rèn)為不良的層間接觸是誘發(fā)半剛性瀝青路面開裂以及半剛性基層自身開裂的重要原因。當(dāng)層間接觸不穩(wěn)定時(shí)，基面層間剪應(yīng)力減小幅度小其抗剪強(qiáng)度減小幅度，因此層間接觸不穩(wěn)定易引起層間滑移破壞。

4 結(jié)語

本文主要從車輛荷載、溫度以及層間接觸狀態(tài)三個(gè)方面系統(tǒng)闡述瀝青路面力學(xué)響應(yīng)影響因素及其研究方法。得出以下結(jié)論：

（1）在當(dāng)前路面力學(xué)響應(yīng)分析中，研究應(yīng)從最不利情況出發(fā)，車輛荷載與路面的接觸面形式選擇矩形+雙半圓形式或者長(zhǎng)方形。荷載形式不能局限于靜荷載，應(yīng)考慮為動(dòng)荷載和不均勻荷載。在實(shí)際車輛行駛過程中，特別是在剎車的情況下，由于輪胎與路面間存在摩阻力，不能將車輛荷載僅考慮為垂直的豎向荷載，而應(yīng)是豎向荷載與水平荷載的聯(lián)合作。此外，垂直荷載對(duì)路表彎沉產(chǎn)生影響，對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)影響相對(duì)較小，對(duì)路面的破壞程度較低。而水平荷載引起的面層層底彎拉應(yīng)力和層間剪應(yīng)力對(duì)路面的使用壽命具有較大影響。

（2）溫度同樣是瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的重要因素，瀝青混合料的強(qiáng)度、彈性模量等都隨著溫度變化。結(jié)合實(shí)際考慮結(jié)構(gòu)深度方向的溫度梯度變化是，改變溫度場(chǎng)分布對(duì)豎向應(yīng)變、縱向應(yīng)變和剪應(yīng)變值的影響較大，對(duì)橫向應(yīng)變值的影響較小。

（3）與現(xiàn)行的路面設(shè)計(jì)理論假設(shè)不同，路面層間接觸并非是完全連續(xù)的。各層的層間剪應(yīng)力的大小會(huì)隨層間接觸狀態(tài)好壞的變化而變化。層間接觸越穩(wěn)定，越不易產(chǎn)生層間滑移剪切破壞。