重荷載下局部粘結失效對瀝青路面彎沉值的影響

杜 銘

(重慶兩江交通規劃勘察設計研究有限公司，重慶 401147)

1 概述

在以往，專家學者對重載作用下瀝青路面的研究重點要么放在結構設計和結構的穩定性上，將瀝青路面各層看成接觸連續的層狀體，要么主要考慮層間接觸狀態的整體變化，即假設整個瀝青路面的結構層之間的粘結狀態完全一致。鮮有對瀝青路面的層間局部粘結狀態的相關研究［1，2］。但是根據現場鉆心和后續道路的使用調查結果表明:瀝青路面實際層間接觸狀態往往偏離于層間完全接觸，但也不是各層之間的接觸狀態同時發生變化。瀝青路面層間破壞往往是一個衰變的過程，都是從一小塊區域開始然后逐漸擴展，最終導致路面發生早期破壞［3］。因此研究重載作用下基面層的局部脫空對揭示瀝青路面早期破壞具有重要意義。

2 基層、面層局部層間接觸狀態在ABAQUS中的實現

2.1 有限元模型參數

本文采用典型的半剛性基層瀝青路面結構形式，建立有限元模型，路面結構參數如表1所示，為了方便建立模型加載區域采用矩形。

表1 路面結構參數

通過初步計算發現模型尺寸只要大于3倍的雙輪加載的間距即可滿足精度要求，因此綜合考慮計算時間和結果精度，初步選擇6 m×6 m×6 m模型尺寸。

根據瀝青路面的受力特點，土基底面完全固定，道路橫向的兩面約束道路橫向的位移，行車方向上的兩面約束行車方向上的位移。

本文在分析中將基層和面層接觸面之間定義為能夠傳遞接觸壓力且大小不受限制，當接觸壓力變為負值或0時，兩個接觸面發生分離，并且相應結點上的約束會失效。

2.2 工況分析

局部粘結失效區域的大小對路面力學響應指標的影響較大，為了研究失效區域的大小對彎沉值的影響，本文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失效區，正方形的邊長分別取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對路面結構加載。為了研究半失效狀態(摩擦系數)對彎沉值的影響，本文取局部粘結區正方形邊長為 0.6 m，摩擦系數分別取 0.1，0.5，0.8，1.0，1.5;在標準軸載作用下觀察其彎沉值的變化，并與完全粘結和完全失效進行對比。

3 對路面彎沉值的影響

在200 kN荷載作用下，彎沉值在道路橫向上的分布規律如圖1所示。

圖1 粘結失效區域大小對彎沉的影響圖

由圖1可知，在200 kN重載的作用下，由于局部粘結失效區域的存在使得彎沉在兩車輪荷載作用的中心位置的取值存在差值，并且在有粘結失效區域的一側取得最大值。

圖2表示在軸載為200 kN時，彎沉最大值隨粘結失效區域的大小的變化圖。

由圖2可知，當粘結失效區域較小即小于20 cm×20 cm時，對彎沉的影響較小，當粘結失效區域較大時，對彎沉的影響較大，60 cm×60 cm時的彎沉值比完全粘結時的彎沉值大0.052 mm，因此在局部粘結失效區域存在的一側對路面結構的承載力要求較高，另外，由于差值的存在使得兩車輪附近產生不同的拉應力，在荷載長期反復作用下瀝青路面容易產生疲勞開裂、坑槽、沉陷等病害。

圖3表示固定軸重為100 kN粘結失效區域為60 cm×60 cm時，彎沉隨粘結失效區域間摩擦系數(粘結狀態)的變化。

由圖3可知，隨著摩擦系數的增大，彎沉逐漸減小，但是整體而言減小的效果不明顯，因此，摩擦系數對彎沉的影響可以忽略不計。

圖2 粘結失效區域大小對彎沉的影響圖

圖3 彎沉最大值隨摩擦系數的變化圖

4 結語

本文以彈性本構表示瀝青混合料，采用有限元軟件ABAQUS對不同軸載作用下的瀝青路面彎沉值進行評價，主要結論有以下兩點:

1)粘結失效區域使得該側的彎沉值有所增長，當粘結失效區域較大時，影響較為明顯。

2)摩擦系數及層間接觸狀態對彎沉的影響很小，可以忽略不計。