水應力耦合對瀝青路面動態力學性能的影響

安 江 龍

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

瀝青路面結構的開裂、剝離等與路面材料在外部環境中的力學行為密切相關[1]。近年來北方地區強降雨造成大量瀝青路面結構損毀，中國南方高濕度、高溫度的氣候使瀝青路面暴露在漫長的雨季和惡劣的交通條件下，導致瀝青路面使用壽命縮短(施工完成后一兩年)和巨大的經濟損失[2,3]，水對瀝青路面力學性能的影響不容忽視。

很多學者對瀝青路面的開裂進行過研究[4]。以結構特征為分析對象，瀝青混合料的水分侵蝕受瀝青化學、骨料礦物學、表面紋理以及瀝青結合料與骨料之間粘附力的影響[5]。一些研究表明，水分損害是由瀝青混合料中的空隙分布和連通性造成的[6]。瀝青路面的水力斷裂也受到外部荷載的影響[7]。車速對路面變形的產生也具有很大影響[8]。當水滲入瀝青和骨料的界面，車輛超載時會產生過大的孔隙水壓力，導致瀝青膜與骨料表面分離。這種情況會使路面出現凹坑和凹槽，這些凹坑和凹槽可能會形成松散的結構或裂縫，并迅速降低抗剪切或滑動破壞能力，骨料間的粘結力已被削弱。

瀝青路面是由骨架、空氣和自由水組成的多孔介質。多孔介質可在大約1 h后被水浸泡而達到飽和，且車輛荷載可驅動孔隙水在瀝青路面中快速移動。綜上分析，本文的研究目的如下：建立水—應力耦合模型，模擬移動車輛荷載作用下瀝青路面的應力分布，分析水—應力耦合對瀝青路面損傷的影響，為瀝青路面損傷的控制提供技術依據。

1 研究方法

瀝青路面作為三相多孔介質，遵循強度理論、變形理論和滲透理論。飽和瀝青路面應考慮有效應力原理。瀝青路面浸水時，骨架應力的分布受應變和孔隙水壓力的影響。應力和應變之間的本構關系如下[9]:

σij=2Gεij+[λεv+αp]δij

(1)

(2)

其中，Kp為多孔介質體積模量；Ks為固體顆粒體積應變的體積模量。

顆粒體積應變為：

εv=ε11+ε22+ε33

(3)

其中，δij為克羅內克符號。

水滲入瀝青路面后，在車輛荷載作用下，孔隙結構將變形，并改變孔隙水壓力。該過程可采用比奧固結理論計算。利用該理論可同時獲得應力、應變和孔隙水壓力。本文建立的基于彈性應力—應變關系的耦合模型方程式可以表示為：

(4)

其中，u為固體骨架位移；Vs為固相移動速率；ne為孔隙率；qw為多孔介質的平均速率。

本文設計的路面結構如圖1所示，其寬度為2 m，厚度為0.74 m。計算的模型常數如表1所示。車速為90 km/h，路面的垂直荷載為F=50 kPa。標準軸載荷下的輪胎壓力為0.7 MPa。左右兩側邊界沒有橫向位移，底部邊界沒有垂直位移，上部邊界是自由的。

表1 路面模型結構參數

2 結果分析

在施加應力后，研究結果表明：在施加超載的路面附近，應力局部化現象很明顯。垂直應力隨人行道表面下方深度的增加而減小。人行道上的最大應力發生在最重的交通狀況下，這與車輛負載的影響非常吻合。剪應力主要集中在載荷邊界正下方的區域，同時也在向基層擴散和減少。拉應力主要分布在人行道底部周圍，這主要是因為當車輛負載轉移到基層時，載貨量急劇下降，其余大部分轉化為拉應力有關。剪應力與軸位于工作表面和非工作表面之間的界面處對稱分布。拉應力隨著距加載區域的橫向距離的增加而逐漸減小。與基礎層相比，表面的剪應力值更大且更集中。

2.1 表面彈性模量的影響

本文考慮了三種不同的表面模量即1 300 MPa，1 600 MPa和1 800 MPa，以分析對應力分布的影響?？紫端畨毫蛻龅哪M結果如圖2，圖3所示。圖2給出了上表面荷載作用下沿垂直方向孔隙水壓力的變化曲線，可以看出：表層內存在最大液壓，底座中的液壓隨著深度的增加而減小，減小的程度較小。較小的模量會產生較大的液壓。它們之間的差值在表層為1.5 MPa，在基礎層為0.6 MPa，這主要是由于路面上的車輛載荷被限制在表層內導致的，即載荷波在表層內的傳播很明顯且對表層區域以下影響很小。因此，表面層上的液壓壓力受其影響將發生很大的變化。另外，當表面材料的模量較大時，抗壓強度較高，固體骨架的變形較小。

圖3，圖4給出了路面上的應力分布可以看出：徑向應力受表面層模量的限制較少，表面層的模量對剪切應力產生了很大的影響，并且在表面層的中心附近影響變得更大。因此，路面的上層對于控制剪切應力的向下發展至關重要。

圖5顯示了在不同表層滲透率下水壓隨深度的變化。當滲透率增加時，在車輛加載的瞬間，水壓的變化率較小，這主要是由于在荷載作用下人行道變形時，具有較大滲透率的路面結構中孔隙液體的滲透速度更快。

圖6給出了受滲透性影響的路面中的應力場分布。隨著滲透率的增加，在外力作用下垂直應力的響應時間在逐漸縮短。表層滲透率的變化幾乎不影響水平應力的分布，但表層中的剪切應力隨著滲透率的增加而逐漸增加。

2.2 路面厚度的影響

本文選擇了三種路面厚度進行數值分析，分別為0.12 m,0.15 m和0.18 m，孔隙水壓力的結果見圖7。

從圖7可以看出：在車輛施加載荷后的短時間內，人行道中的孔隙水壓力表現出非常急劇的變化。隨著路面厚度的增加，水壓的波動相應增加，最大的孔隙水壓都出現在兩層的中間。假定路基的滲透性始終比路面材料的滲透性小得多，那么在飽和狀態下的車輛載荷下，孔隙水將被驅使迅速向上邊界排放。因此，在較薄的路面上，孔隙水壓力的梯度會相對較小。表面層厚度對水平應力的影響不明顯，但在剪切應力下可觀察到，同一位置處的剪應力隨著表面層厚度的增加而減小。這種現象表明路面厚度可能有效地阻礙了力的傳播。因此，合適的路面厚度設計對于路面穩定性至關重要。

3 結語

本文研究了車輛荷載作用下飽和路面的動力特性，研究結果表明：應力局部化在表層更加明顯；增強表面瀝青的水穩定性對于延長使用壽命很重要；應力載荷主要在表層內擴展和分布，并對較深的區域影響很?。粚τ谳^小模量的路面，在車輛載荷作用下會產生較高的孔隙水壓力；路面的抗剪強度主要由上表層控制；模量對剪切應力的變化無影響。