瀝青混凝土路面面層與基層間破壞數值分析

王 婧

(天津市城市道路設施巡查中心，天津 300000)

1 概述

市政公路是國民經濟建設的基礎設施，是經濟發展到一定階段的必然產物，也是一個國家現代化水平的重要標志之一。而在我國公路的路面結構當中，瀝青路面占有相當大的比重，占到了90%之多[1]。目前瀝青路面的各種常見破損類型疲勞開裂、反射裂縫、低溫開裂等，通常修補的重點是加厚瀝青面層或增加新鋪面層以加強路面對拉應力或拉應變的抵抗能力，或者在路基、路面材料及其結構組成方面進行優化和改進，但實際上如果忽略層間的粘結、防水及耐久性等問題，無論面層和基層的強度如何提高，瀝青路面破壞狀況仍得不到解決。瀝青路面各結構層之間層間處治工藝的正確與否和質量水平高低對瀝青路面的性能的影響至關重要。因此，對瀝青混凝土面層進行數值模擬，對理解瀝青混凝土面層的力學行為、損傷機理有顯著的意義，并可為設計施工提供依據。

因此，本文基于固體力學與彈性力學理論，采用有限元方法，對瀝青混凝土面層的力學行為進行數值模擬，旨在分析面層混凝土的損傷、破損機理，以期對市政道路設計與建設提供一定的參考。

2 瀝青混凝土路面數值模型

以文獻[1]中給出的路面結構形式，本文取面層、基層、底層的瀝青混凝土厚度分別為4 cm，6 cm，20 cm，各層間的結合層厚度取1 mm。為加快有限元求解速度，對數值模型進行一定的簡化。將面層瀝青混凝土視為一種各相同性的粘彈性材料，將基層和底層瀝青混凝土視為線彈性材料，將面層與基層之間的結合層視為一種各相異性的粘彈性材料。建立的ABAQUS模型如圖1所示。各層材料的本構關系如表1所示。

表1 材料本構關系表

層間的粘結強度對合理模擬面層瀝青混凝土的力學行為至關重要。本文采用復合材料細觀結構的周期性假設提出代表性體積單元法對層間力學行為進行模擬。復合材料細觀結構的周期性假設認為，雖然材料內部各組分具有隨機性，但他們一般具有統計上的周期重復性，因此，整個非均質復合材料可以看成是代表性體積單元周期性排列而成[2]。假設代表性體積單元內各組分材料分別具有彈塑性性質，服從各自的彈塑性本構關系[3]，在平面應力—應變條件下。

(1)

根據三種特定的位移邊界條件，可得：

(2)

根據這三種特殊情況，即可求得代表性體積單元等效彈性模量與剪切模量：

(3)

(4)

(5)

(6)

在上述含有代表性體積單元的模型中，僅需調整代表性體積單元的本構關系即可模擬瀝青混凝土路面的層間狀態。在本研究中，僅對完全粘結和50%脫粘進行了模擬。此外，為了模擬市政路面的受力行為，本文共采用四種荷載工況，如表2所示。

表2 荷載工況表

3 層間粘結力對瀝青混凝土路面面層損傷、破損機理影響因素分析

圖2為瀝青混凝土路面面層與基層完全粘結時面層瀝青混凝土的受力云圖。由圖2可以看出，當瀝青混凝土路面僅受垂直應力時，層間應變僅為51×10-6，此時的層間剪應力為1.595 MPa，而同時受到垂直應力與水平應力時，層間應變增加為85×10-6，增加了66.7%，此時的層間剪應力為2.08 MPa，增加了30.4%。當瀝青混凝土路面升溫/降溫20 ℃時，層間應變均為48×10-6，層間剪應力均為0.2 MPa，但層間延垂直方向產生了1.661 MPa(升溫)/2.166 MPa(降溫)的拉應力，同時在升溫時在層間產生了0.987 MPa的壓應力，在降溫時產生了0.936 MPa的拉應力，由于這種力學效應伴隨著面層較大的垂直位移，因此會使得瀝青混凝土層間更易脫粘。值得注意的是，在升溫過程中數值模擬結果顯示瀝青混凝土面內產生了較大的壓應力，并向上位移，這可能是瀝青混凝土路面隆起的主要原因；而在降溫過程中數值模擬結果顯示瀝青混凝土面內產生了較大的拉應力，這可能是瀝青混凝土路面產生裂紋、龜裂的主要原因。

圖3為部分粘結(50%)時面層瀝青混凝土的受力云圖。由圖3可以看出，與完全粘結時相比，當部分粘結(50%)瀝青混凝土路面僅受垂直應力時，層間應變由51×10-6提高至為53×10-6，層間應力由1.595 MPa降低至0.864 MPa，降低了45.8%。而同時受到垂直應力與水平應力時，部分粘結(50%)瀝青混凝土層間應變增加為94×10-6，與完全粘結時相比增加了10%，層間應力由2.08 MPa降低至1.154 MPa，降低了44.5%。與完全粘結時相比，部分粘結(50%)在溫度荷載的作用下對剪切的影響不大，但垂直方向的拉應力分別由1.661 MPa(升溫)/2.166 MPa(降溫)降低至1.027 MPa/1.406 MPa，但面層的垂直位移卻有明顯增加。

由模擬結果可以看出，在較低的粘結強度(即較弱的層間粘結)下，面層與基層之間的結合層出現較大的層間剪切應變，這更易造成層間脫粘，從而進一步增加了剪切應變，加速瀝青混凝土面層脫粘。同時，在較低的粘結強度條件下，剪切應力進一步減小，這使剪切應力無法有效地向下傳遞，會使面層瀝青混凝土承受更大的力，進而導致面層出現隆起、開裂等病害。此外，溫度應力對于層間剪應力影響不大，但是會延垂直方向產生較大的拉應力，且會在層內產生面內拉/壓應力，在這兩種效應的耦合作用下，更易造成層間脫粘。

4 結語

本文基于固體力學與彈性力學理論，采用有限元方法，對瀝青混凝土面層的力學行為進行數值模擬，得到如下結論:1)瀝青混凝土路面層間受車輛荷載的影響，尤其是彎曲、爬坡線路上會產生較大的剪應力，在這些區域要嚴格把控瀝青澆筑質量，使層間有更好的粘結力；2)瀝青混凝土路面同時也受溫度荷載的影響，這種影響比車輛荷載更加顯著，這主要是因為路面受熱/受冷時會產生面外力，使得層間加速剝離，且這種效應會隨著路面面積的積累而積累，從而會在路面澆筑的缺陷處產生病害，因此，在施工時應嚴格把控瀝青澆筑工藝，使其在一定范圍內相對均勻，共同受力抵抗溫度荷載；3)層間缺陷的出現一方面使得面層和基層間產生較大的相對位移，這會使層間進一步脫空，另一方面層間缺陷僅能傳遞較小的剪切應力，因此在荷載相同時，面層內會承受更大應力，這會增加面層的負荷，加速面層的損壞，因此，在瀝青混凝土使用過程中，層間剝離的早期檢測與維修至關重要。