季凍區無機結合料穩定基層瀝青路面典型病害機理分析

吳欲曉

(1.沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168； 2.遼寧奧路通科技有限公司 沈陽市 110166)

無機結合料穩定基層是季凍區路面結構設計普遍采用的結構形式，其較高的結構強度能夠提高瀝青路面的整體強度，但經過大量的工程實踐檢驗后發現，該種路面結構存在著諸多弊端，隨著使用年限的增長路面出現了較為典型的裂縫和車轍病害，上述病害的出現對路面行車安全、整體性能及使用壽命均產生嚴重的影響。因此，針對季凍區無機結合料穩定基層路面的典型病害，采用Abaqus有限元數值模擬分析平臺從力學響應角度分析病害產生的機理。

1 有限元模型的建立

1.1 路面結構模型參數的確定

以京哈(北京至哈爾濱)線實體工程作為研究對象，通過建養資料調查與現場鉆芯取樣得到路面結構的組成形式，并通過以往室內試驗結果及相關研究得到各個結構層材料的力學及熱物性參數，以此作為路面結構病害機理分析的基準依據，具體相關參數見表1、表2所示。

1.2 路面有限元模型的建立

根據《公路瀝青路面設計規范》JTG D40-2017的規定，瀝青路面結構設計采用100kN單軸—雙輪組標準荷載，輪胎接地面積采用邊長為0.213m的正方形，將標準荷載換算為接地壓強，即每個輪胎的接地壓強為0.7MPa。考慮到不同車道受到結構層垂直于行車方向的約束基本一致，故在模型建立時僅選取一個車道寬度作為分析對象，具體臨界荷位示意圖見圖1所示。

表1 路面各結構層組成及材料力學參數

表2 路面各結構層材料熱物性參數

圖1 臨界荷位示意圖

按照路面結構組成建立三維有限元數值分析模型，并通過材料參數的定義等完成路面結構模型的實體化。在邊界條件約束時僅將結構側面沿x軸方向采用部分約束，此時模擬側向邊坡與相鄰車道對路面結構的側向作用力，同時將土基底面采用完全約束狀態，以模擬土基沿深度方向的無限整體性。建立有限元分析模型，其尺寸為3.75m×3.75m×2m，其中x方向代表行車方向，y方向代表路面橫斷面方向，z方向代表路面深度方向，路面結構有限元模型見圖2所示。

圖2 路面結構有限元模型示意圖

1.3 溫度場邊界條件

路面結構溫度場來源于大氣熱交換形成的太陽輻射、空氣長波輻射及對流熱交換，其理論表達式為：

(1)太陽輻射

太陽與路表之間通過各種輻射傳遞熱量，采用分段函數近似表示出太陽輻射q(t)的日變化過程。

(1)

式中：q0—中午最大輻射，q0=0.131mQ，m=12/c；

Q—日太陽輻射總量，J/m2；

c —實際有效日照時數，h；

ω—角頻率，ω=2π/24，rad。

(2)空氣長波輻射

空氣長波輻射呈現出周期性的變化特征，但從最低氣溫上升至最高氣溫不足10h，而從最高氣溫降至最低氣溫則需要14h以上，因此采用兩個正弦函數的線性組合來模擬氣溫的日變化過程。

(2)

ω—角頻率，ω=2π/24，rad；

t0—初相位，最大太陽輻射與最高氣溫的出現時間差加7，一般情況下，設時間差為2h，為此，可以取t0=9；計算時，t以小時計。

(3)對流熱交換

路面表面與大氣產生熱交換的對流熱交換系數hc主要受風速νw的影響，兩者之間呈線性關系。

hc=3.7νw+9.4

(3)

式中：hc—對流熱交換系數，W/(m2·℃)；

νw—日平均風速，m/s。

2 無機結合料穩定基層路面結構低溫開裂分析

當路面結構所處的大氣溫度下降時，面層和基層均會產生不同程度的收縮變形，但該種收縮變形會受到相鄰結構層的摩阻力和路面無限連續板體的約束作用，使得路面結構內部產生拉應力。因此，建立季凍區冬季低溫環境下路面結構的溫度場，將該預定義場作為環境基礎進行路面結構在低溫應力下的開裂分析。

2.1 低溫環境下路面溫度應力分析

(1)低溫環境下日溫度場分布情況

建立路面結構隨環境變化的熱分析模型，通過定義冬季低溫環境下一天24h內的溫度得到在不同時間點路面各結構層的溫度分布狀況，見圖3所示。

圖3 冬季嚴寒氣候下路面結構溫度場分布狀況

由圖3可知，當固定路面深度方向時，不同結構層溫度隨時間均呈現先上升后下降的變化趨勢，且日溫度最高值出現在下午14時；當固定時間方向時，由于熱量傳遞和散失，隨深度的增加溫度梯度逐漸減弱，當深度達到0.6m時熱傳遞效果基本喪失，僅維持在設定的原始溫度。

(2)日循環作用下溫度應力分析

隨著路面結構溫度場的變化，各結構層由于其材料屬性的差異，會隨著時間的推移形成溫度應力的累積，通過對比路面結構內溫度應力的動態變化狀況，并截取溫度應力在不同結構層關鍵時間點的應力云圖。

通過分析可知，在熱傳遞效應作用初期，此時溫度梯度影響范圍較淺，因此溫度應力集中在上面層，應力值僅為0.04MPa，但隨著時間的推移，熱傳導影響下路面結構內部的溫度應力逐漸增大，結構層內最大主應力向下轉移，此時基層頂面出現拉應力，并在15時左右的拉應力最大，但最大拉應力轉移至基層底面，而基層在低溫應力作用下出現收縮應變，層間作用對面層結構產生約束，因此在24時面層頂部出現了部分溫度應力。由于路面結構最大溫度應力最先出現在底基層底部，因此在進行路面結構開裂分析時，主要關注底基層底部的應力狀況。

2.2 路面結構開裂機理分析

由于路面結構內的溫度應力是長期累積作用形成的，因此筆者采用分段模擬累積的方式，多次設定場荷載變量，實現將前一次的溫度應力結果循環加載至路面結構上，進而完成長期低溫環境下路面結構內累積溫度應力的分析。結合路面結構最大溫度應力的出現位置，針對底基層底部進行溫度應力時空曲面的繪制。

圖4 低溫條件下34d時水泥穩定碎石底基層底部溫度應力分布情況

由圖4可知，路面底基層底部的溫度應力隨著時間的增加呈現逐漸增大的趨勢，表明無機結合料穩定材料在應力作用下伸縮變形能力差導致應力的不斷累加，最終超過其極限抗拉強度出現破壞。在經過34d的低溫循環后其底部出現的拉應力達到1.53MPa，此時超過了水泥穩定碎石能承受的極限抗拉強度1.5MPa，因此此時底基層結構沿下部發生開裂。隨后當裂縫擴展至面層底部時會進一步破壞面層結構的完整性，導致面層形成常見的反射裂縫。

3 無機結合料穩定基層路面結構永久變形分析

由于瀝青混合料在高溫環境下呈現出黏彈塑性的特點，因此高溫環境下路面結構內部的溫度應力集中狀況得到了極大改善，此時材料的過度松弛導致其抵御外部荷載作用的能力下降，因此在車輛荷載的重復作用下面層結構出現了明顯的應變累積，并在長期作用下在路表形成車轍病害，筆者針對車轍形成過程與病害類型進行分析。

3.1 高溫環境下路面永久變形作用理論

(1)高溫環境下日溫度場分布情況

以冬季建立溫度熱分析模型為基礎，調整大氣溫度參數進行夏季高溫氣候下路面溫度場分布狀況模擬，見圖5所示。

圖5 夏季炎熱氣候下路面結構溫度場分布狀況

由圖5可知，夏季炎熱氣候下溫度場變化趨勢并未發生太大的變化，均與大氣溫度隨時間的變化趨勢基本一致，呈現先增大后減小的變化趨勢，且最高溫主要出現在瀝青面層表面。隨后，與圖3中冬季嚴寒氣候下的溫度場相比，整體變化幅度有所增大，進一步表明瀝青混凝土的高溫感溫性能較低溫時更加敏感。

(2)循環荷載作用理論

在瀝青路面結構中分析其抵抗永久變形的能力是評價路面結構設計合理性的重要指標，這是由于瀝青混凝土屬于粘彈塑性材料，在自然氣候與車輛荷載的長期循環作用下，會形成一個永久的不可逆的塑性變形。筆者僅采用夏季高溫時期設計年限內行車荷載作用次數，并按照每天24小時非均勻分布的特點換算成累計作用時間，以達到將荷載分布與溫度變化相結合的目的。

(4)

式中：t—輪載累計作用時間，s；

N—軸載作用次數，次；

P—車輛軸重，kN；

nw—軸的輪數，個；

p—輪胎接地壓力，MPa；

B—輪胎接地寬度，cm；

v—行車速度，km/h。

根據式(4)計算得知軸載一次作用時間為0.007545s，筆者結合京哈線夏季高溫時期設計年限內軸載作用次數換算成標準軸載為1.25×106萬次，等效為9431.2s的車輛荷載累計作用時間。按照1天24小時內不同時段的交通量分布情況，近似獲得每小時荷載的分段累計作用時間，如表3所示。

表3 24h內不同時段軸載累計作用次數

3.2 路面結構永久變形分析

筆者根據瞬態分析的原則將行車荷載累計作用時間按照不同時段進行分解和施加，完成路面結構在車輛荷載和自然氣候雙重因素耦合作用下累計變形狀況分析，施加荷載后路面結構永久變形狀況見圖6所示。

由圖6可知，高溫氣候下瀝青路面在車輛荷載的作用下產生瞬時應變，由于瀝青混凝土具有蠕變特性，長期荷載作用下部分應變無法完全恢復，因此沿渠化交通輪跡帶處形成明顯的車轍病害。如圖6(a)所示，永久變形在路表影響范圍不只出現在車輛荷載作用區域內，在車輛荷載作用周邊也出現了一定的微應變，表明路面結構在車輛荷載作用下橫斷面上均出現了明顯的變形。對比路面結構永久變形局部區域情況，如圖6(b)所示，永久變形影響深度主要集中在面層和基層結構內，且微應變影響深度可達到45cm，表明車轍病害發生在面層和基層全深范圍內，此時路面結構整體性受到嚴重破壞。

圖6 路面結構溫度場及其永久變形狀況

圖7 車輪荷載下永久變形空間分布情況

根據路面結構在設計年限內車輛荷載作用下局部區域永久變形示意圖，繪制車輪荷載下永久變形空間分布曲面圖。由圖7可以看出，路面最大凹陷處出現在車輪荷載正下方，凹陷深度為1.80cm，該種深度的車轍病害對高速行駛的車輛而言存在嚴重的安全隱患。同時，對比車輪荷載作用周邊可知，沿路面寬度方向永久變形可影響到0.375m的橫向范圍，此時路面永久變形深度為0.67cm，進一步證明該種路面結構線永久變形的橫向影響范圍較寬，橫斷面呈現出明顯的U型，可以判定該路段出現的是典型的結構型車轍。

4 結論

(1)對于季凍區無機結合料穩定基層路面結構，冬季低溫和夏季高溫環境下路面結構內溫度場分布趨勢卻基本一致，同時夏季高溫環境下溫度變化幅度是冬季低溫的1.86倍，表明瀝青混凝土的高溫感溫性能較好。

(2)無機結合料穩定基層路面結構由于基層抗變形能力差、抗彎拉強度低的特點，雖未直接與大氣環境相接觸，但低溫環境下產生收縮應力導致基層結構底部最先出現開裂破壞，此時面層結構內的低溫應力并不足以導致面層出現破損。因此，無機結合料穩定基層路面結構裂縫主要是由基層底部裂縫逐漸擴展并反射至面層而形成的。

(3)無機結合料穩定基層瀝青路面結構在高溫氣候與渠化交通的共同作用下會出現明顯的車轍病害，永久變形影響深度為面層和基層全深度范圍內，且永久變形橫斷面影響范圍較寬，表現出U型凹陷變形，表明該種路面結構呈現出較為嚴重的結構型車轍病害。