水應(yīng)力耦合對瀝青路面動態(tài)力學(xué)性能的影響

安 江 龍

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)的開裂、剝離等與路面材料在外部環(huán)境中的力學(xué)行為密切相關(guān)[1]。近年來北方地區(qū)強(qiáng)降雨造成大量瀝青路面結(jié)構(gòu)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(dǎo)致瀝青路面使用壽命縮短(施工完成后一兩年)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2,3]，水對瀝青路面力學(xué)性能的影響不容忽視。

很多學(xué)者對瀝青路面的開裂進(jìn)行過研究[4]。以結(jié)構(gòu)特征為分析對象，瀝青混合料的水分侵蝕受瀝青化學(xué)、骨料礦物學(xué)、表面紋理以及瀝青結(jié)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(chǎn)生也具有很大影響[8]。當(dāng)水滲入瀝青和骨料的界面，車輛超載時(shí)會產(chǎn)生過大的孔隙水壓力，導(dǎo)致瀝青膜與骨料表面分離。這種情況會使路面出現(xiàn)凹坑和凹槽，這些凹坑和凹槽可能會形成松散的結(jié)構(gòu)或裂縫，并迅速降低抗剪切或滑動破壞能力，骨料間的粘結(jié)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(zhì)。多孔介質(zhì)可在大約1 h后被水浸泡而達(dá)到飽和，且車輛荷載可驅(qū)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(yīng)力耦合模型，模擬移動車輛荷載作用下瀝青路面的應(yīng)力分布，分析水—應(yīng)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(shù)依據(jù)。

1 研究方法

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

σij=2Gεij+[λεv+αp]δij

(1)

(2)

其中，Kp為多孔介質(zhì)體積模量；Ks為固體顆粒體積應(yīng)變的體積模量。

顆粒體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εv=ε11+ε22+ε33

(3)

其中，δij為克羅內(nèi)克符號。

水滲入瀝青路面后，在車輛荷載作用下，孔隙結(jié)構(gòu)將變形，并改變孔隙水壓力。該過程可采用比奧固結(jié)理論計(jì)算。利用該理論可同時(shí)獲得應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓力。本文建立的基于彈性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)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(zhì)的平均速率。

本文設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)如圖1所示，其寬度為2 m，厚度為0.74 m。計(jì)算的模型常數(shù)如表1所示。車速為90 km/h，路面的垂直荷載為F=50 kPa。標(biāo)準(zhǔn)軸載荷下的輪胎壓力為0.7 MPa。左右兩側(cè)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(jié)構(gòu)參數(shù)

2 結(jié)果分析

在施加應(yīng)力后，研究結(jié)果表明：在施加超載的路面附近，應(yīng)力局部化現(xiàn)象很明顯。垂直應(yīng)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(yīng)力發(fā)生在最重的交通狀況下，這與車輛負(fù)載的影響非常吻合。剪應(yīng)力主要集中在載荷邊界正下方的區(qū)域，同時(shí)也在向基層擴(kuò)散和減少。拉應(yīng)力主要分布在人行道底部周圍，這主要是因?yàn)楫?dāng)車輛負(fù)載轉(zhuǎn)移到基層時(shí)，載貨量急劇下降，其余大部分轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力有關(guān)。剪應(yīng)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(yīng)力隨著距加載區(qū)域的橫向距離的增加而逐漸減小。與基礎(chǔ)層相比，表面的剪應(yīng)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(yīng)力分布的影響。孔隙水壓力和應(yīng)力場的模擬結(jié)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(nèi)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(chǎn)生較大的液壓。它們之間的差值在表層為1.5 MPa，在基礎(chǔ)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(nèi)導(dǎo)致的，即載荷波在表層內(nèi)的傳播很明顯且對表層區(qū)域以下影響很小。因此，表面層上的液壓壓力受其影響將發(fā)生很大的變化。另外，當(dāng)表面材料的模量較大時(shí)，抗壓強(qiáng)度較高，固體骨架的變形較小。

圖3，圖4給出了路面上的應(yīng)力分布可以看出：徑向應(yīng)力受表面層模量的限制較少，表面層的模量對剪切應(yīng)力產(chǎn)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(yīng)力的向下發(fā)展至關(guān)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(dāng)滲透率增加時(shí)，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(shí)，具有較大滲透率的路面結(jié)構(gòu)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(yīng)力場分布。隨著滲透率的增加，在外力作用下垂直應(yīng)力的響應(yīng)時(shí)間在逐漸縮短。表層滲透率的變化幾乎不影響水平應(yīng)力的分布，但表層中的剪切應(yīng)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(jìn)行數(shù)值分析，分別為0.12 m,0.15 m和0.18 m，孔隙水壓力的結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出：在車輛施加載荷后的短時(shí)間內(nèi)，人行道中的孔隙水壓力表現(xiàn)出非常急劇的變化。隨著路面厚度的增加，水壓的波動相應(yīng)增加，最大的孔隙水壓都出現(xiàn)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(tài)下的車輛載荷下，孔隙水將被驅(qū)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(yīng)力的影響不明顯，但在剪切應(yīng)力下可觀察到，同一位置處的剪應(yīng)力隨著表面層厚度的增加而減小。這種現(xiàn)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(shè)計(jì)對于路面穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3 結(jié)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(jié)果表明：應(yīng)力局部化在表層更加明顯；增強(qiáng)表面瀝青的水穩(wěn)定性對于延長使用壽命很重要；應(yīng)力載荷主要在表層內(nèi)擴(kuò)展和分布，并對較深的區(qū)域影響很小；對于較小模量的路面，在車輛載荷作用下會產(chǎn)生較高的孔隙水壓力；路面的抗剪強(qiáng)度主要由上表層控制；模量對剪切應(yīng)力的變化無影響。