重載下層間局部粘結(jié)失效對瀝青路面應(yīng)力應(yīng)變的影響

杜 銘

(重慶兩江交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究有限公司，重慶 401147)

1 概述

瀝青路面的設(shè)計研究是將瀝青路面各層看成均質(zhì)、各向同性、各層連續(xù)的層狀體，主要考慮層間接觸狀態(tài)的整體變化，即假設(shè)瀝青路面的結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)狀態(tài)完全一致。但是根據(jù)現(xiàn)場鉆心和道路使用過程中調(diào)查的結(jié)果表明：瀝青路面實際層間接觸狀態(tài)往往不是完全接觸，層與層之間的接觸變化也是不同的。層間接觸破壞通常是一個漸變的過程，由最初的一小塊區(qū)域逐漸延伸，最后導(dǎo)致路面發(fā)生破壞。這種破壞在重載道路上尤為突出，因此研究重載作用下基面層的局部粘結(jié)失效對揭示瀝青路面破壞具有重要意義。

2 在ABAQUS中局部層間接觸狀態(tài)的模擬

2.1 有限元模型參數(shù)

本文采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，建立有限元模型，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，為了方便建立模型，加載區(qū)域采用矩形。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

計算發(fā)現(xiàn)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(jié)果精度，初步選擇6 m×6 m×6 m模型尺寸。

2.2 ABAQUS中摩擦的定義

在兩個表面發(fā)生接觸時，在接觸面之間一般會傳遞法向和切向兩個力，這樣在分析中就要考慮阻止表面之間相對滑動摩擦力。在ABAQUS中用庫侖摩擦模型τcrit=μP來描述接觸面之間的摩擦行為。其中，μ為摩擦系數(shù)；P為兩個接觸面之間的接觸壓力。

模擬理想的摩擦行為是極為困難的，因此，ABAQUS使用一個容許“彈性滑動”的摩擦計算公式，“彈性滑動”是在粘結(jié)的接觸面之間發(fā)生的小量相對移動，ABAQUS會自動選擇剛度，并且這個“彈性滑動”是單元特征的很小一部分。

模擬計算中認(rèn)為基層和面層之間能夠傳遞接觸壓力，且大小不受限制，當(dāng)接觸壓力變?yōu)樨?fù)值或0時，兩個接觸面發(fā)生分離，并且相應(yīng)結(jié)點上的約束會失效。其他區(qū)域的接觸面在整個分析過程中都是始終緊密接觸的，相當(dāng)于將兩個部分定義為一個整體。

2.3 工況分析

為了研究失效區(qū)域的大小對應(yīng)力應(yīng)變的影響，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(jié)失效區(qū)，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(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。為了研究半失效狀態(tài)(摩擦系數(shù))對力學(xué)指標(biāo)的影響，本文取局部粘結(jié)區(qū)正方形邊長為0.6 m，摩擦系數(shù)分別取0.1，0.5，0.8，1.0，1.5；在荷載作用下觀察其力學(xué)指標(biāo)的變化，并與完全粘結(jié)和完全失效進(jìn)行對比。由計算可知，層間接觸模型對壓應(yīng)力、無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力和土基頂面壓應(yīng)變影響較小，因此本文主要選取最大剪應(yīng)力和瀝青層層底拉應(yīng)變作為力學(xué)指標(biāo)。

3 層間粘結(jié)狀態(tài)對應(yīng)力應(yīng)變的影響

3.1 層間粘結(jié)狀態(tài)對剪應(yīng)力的影響

圖1為不同粘結(jié)失效區(qū)域?qū)魬?yīng)力深度方向的影響。考慮局部層間粘結(jié)失效區(qū)域時的最大剪應(yīng)力在深度方向上的變化規(guī)律同未考慮粘結(jié)失效區(qū)域的基本相同，最大值在上面層底部取得，軸重相同時各工況下最大值的數(shù)值近似相等；考慮粘結(jié)失效區(qū)域和未考慮粘結(jié)失效區(qū)域的剪應(yīng)力相比，唯一的區(qū)別是在下面層底的位置，考慮局部粘結(jié)失效時剪應(yīng)力會發(fā)生減小的突變，且隨著失效區(qū)域面積的增大這種突變越明顯。

隨著粘結(jié)失效區(qū)域的增大，中面層底粘結(jié)失效區(qū)域存在一側(cè)的剪應(yīng)力逐漸減小，粘結(jié)失效區(qū)域為60 cm×60 cm時的剪應(yīng)力是完全粘結(jié)時的38%(見圖2)。

隨著摩擦系數(shù)的增大，下面層底剪應(yīng)力逐漸增大，剪應(yīng)力的最大值逐漸減小，但是整體而言，影響的效果不明顯，因此，摩擦系數(shù)對剪應(yīng)力的影響可以忽略不計(見圖3)。

3.2 粘結(jié)狀態(tài)對瀝青層層底拉應(yīng)變的影響

由計算可知：

當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域小于20 cm×20 cm，沿行車方向的拉應(yīng)變在中面層底荷載作用區(qū)域中心位置取到最大值，當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域大于20 cm×20 cm，沿行車方向的拉應(yīng)變在下面層底荷載作用區(qū)域中心位置取到最大值；粘結(jié)失效區(qū)域的存在使得兩車輪荷載作用區(qū)域的拉應(yīng)變不再相等，并在失效區(qū)域的一側(cè)取得最大值。因此，局部粘結(jié)失效會使得瀝青路面產(chǎn)生不平衡的拉應(yīng)變，且該應(yīng)變大于不考慮粘結(jié)失效區(qū)域時的拉應(yīng)變，從而縮短路面的疲勞壽命(見圖4)。

隨著摩擦系數(shù)的增大，層底拉應(yīng)變的最大值逐漸減小，說明瀝青層層底拉應(yīng)變變化趨勢逐漸向完全粘結(jié)時靠近，此時最大值的位置逐漸向中面層底靠近；隨著摩擦系數(shù)的增加，拉應(yīng)變最大值逐漸減小，因此，摩擦系數(shù)的增加會增大瀝青面層的疲勞壽命(見圖5)。

4 結(jié)論

本文采用有限元軟件ABAQUS對不同重荷載下的瀝青路面應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行評價，主要結(jié)論有以下三點：1)局部粘結(jié)失效區(qū)域的存在使得粘結(jié)失效一側(cè)下面層層底的剪應(yīng)力減小，粘結(jié)失效區(qū)域越大，減小效果越明顯。2)隨著局部粘結(jié)失效區(qū)域的增大，中面層底和下面層底的拉應(yīng)變增大，并且當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域較小時，拉應(yīng)變的最大值在中面層中取得，當(dāng)粘結(jié)失效區(qū)域較大時，拉應(yīng)變的最大值在下面層取得。3)摩擦系數(shù)及層間接觸狀態(tài)對最大剪應(yīng)力的影響很小，可以忽略不計。對拉應(yīng)變的影響較大，拉應(yīng)變最大值隨著摩擦系數(shù)的增大而逐漸減小。