路面不同層間接觸條件下基層及路床的力學(xué)響應(yīng)有限元分析

王宗璞

(邢臺(tái)道橋建設(shè)工程有限公司 邢臺(tái)市 054001)

0 引言

目前世界范圍內(nèi)瀝青路面基本由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，主要包括面層、基層及路基等。目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，各結(jié)構(gòu)層均為有效粘結(jié)，但隨著瀝青路面應(yīng)用的逐步深入，各結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)不良導(dǎo)致的問題也層出不窮，隨之各國學(xué)者也開展了各類研究，對(duì)路面不同結(jié)構(gòu)層間的不完全粘結(jié)導(dǎo)致的問題進(jìn)行了不懈探索。

1962年在第一屆瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國際會(huì)議上M.R.KRUNTCHEVA[1]等第一次提出了路面層間接觸狀態(tài)會(huì)改變路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，自此，國內(nèi)外學(xué)者開始了對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層接觸狀態(tài)的研究。J.UZAH等使用Bisar程序?qū)β访鎸娱g應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，研究表明，當(dāng)層間界面變化時(shí)，層底徑向應(yīng)變存在有壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變的情況[2]；F.A.HASSAN[3]等利用Bisar程序和有限元程序分析了基層與路基粘結(jié)情況對(duì)路面使用壽命的影響，研究表明，基層和路基黏結(jié)較差會(huì)使路面的使用壽命大約減少80%。同時(shí)，國內(nèi)學(xué)者[4-7]也采用Bisar程序?qū)β访娌煌瑢娱g結(jié)合情況開展了相關(guān)力學(xué)性能研究，紀(jì)小平[4-5]對(duì)不同路面接觸條件下的層底拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、土基頂面豎向壓應(yīng)變進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)路面高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了討論，研究表明，完全光滑的層間接觸大幅提高了瀝青面層的最大剪應(yīng)力，加速面層發(fā)生剪切破壞而形成車轍；唐承鐵[6]對(duì)不同層間接觸下的半剛性路面疲勞特性進(jìn)行了研究，研究表明，上下基層間、面層與基層間、瀝青中下面層間的相對(duì)滑動(dòng)對(duì)半剛性基層的疲勞特性影響最大；羅要飛[7]使用剪切彈性柔量接觸模型對(duì)路面面層間、基-面層間的力學(xué)性能與疲勞特性進(jìn)行了研究，研究表明，層間接觸條件的惡化是導(dǎo)致路面加速破壞的重要原因，當(dāng)上-中面層、中-下面層、基-面層層間接觸條件由連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分別降低52.3%、71.5%、83.0%。

隨著我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2017的發(fā)布，層間結(jié)合能力對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響逐步得到了廣泛重視，尤其對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力及路床頂面豎向壓應(yīng)變等內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)要求，而目前國內(nèi)則缺乏相關(guān)指標(biāo)內(nèi)容。因此，建立了有限元模型，對(duì)不同層間接觸條件下的路面無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力及路床頂面豎向壓應(yīng)變等進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，進(jìn)而對(duì)路面設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)完善。

1 有限元模型的建立

采用半剛性基層路面結(jié)構(gòu)形式建立模型，各結(jié)構(gòu)層分別為上面層(4cm)+中面層(6cm)+下面層(10cm)+上基層(18cm)+基層(18cm)+下基層(18cm)。其中上面層為AC-13型瀝青混合料，中面層為AC-20型瀝青混合料，下面層為ATB-25型瀝青穩(wěn)定碎石?；鶎硬捎盟喾€(wěn)定碎石，上基層、基層水泥用量5%，下基層水泥用量3%。

建立5m×5m×4.74m有限元模型，采用Solid45單元模擬各結(jié)構(gòu)層。層間接觸單元采用Contact170(目標(biāo)單元)和Contact174(接觸單元)進(jìn)行模擬，車輛荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載(BZZ-100)。

圖1 模型建立

以完全粘結(jié)情況為初始模型進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)分別以上、中面層、中、下面層、下面層與上基層建立接觸模型，以模擬不同結(jié)構(gòu)層的粘結(jié)狀態(tài)，并以摩擦系數(shù)μ表示層間的接觸狀態(tài)。μ=0表示完全光滑狀態(tài)，μ=1表示完全接觸狀態(tài)，μ=0.5表示半接觸狀態(tài)，具體接觸編號(hào)規(guī)則如圖2，如7-6-1則表示AC-13與AC-20時(shí)摩擦系數(shù)為1時(shí)的接觸狀態(tài)。

圖2 接觸編號(hào)

2 不同接觸條件下的層間力學(xué)響應(yīng)

通過分析不同接觸狀態(tài)下的層間結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而得到不同路面結(jié)構(gòu)層接觸狀態(tài)下的路面無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力及路床頂面豎向壓應(yīng)變的變化規(guī)律。

2.1 層間接觸狀態(tài)對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力的影響

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層層底拉應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)耐久性有較大影響，不同接觸條件下的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力如表1。

表1 距離荷載中心位置不同位置下無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力(單位：kPa)

從數(shù)據(jù)中可以看到，在不同接觸條件下，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底均受拉。隨著不同層間粘結(jié)不良情況的發(fā)生，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力逐步增大，當(dāng)接觸發(fā)生在5-4時(shí)層底拉應(yīng)力增幅最大，最大增幅達(dá)到50.46%。當(dāng)接觸情況發(fā)生在同一層位時(shí)，摩擦系數(shù)的不同對(duì)層底拉應(yīng)力有一定影響：當(dāng)層間接觸發(fā)生在7-6時(shí)，最大拉應(yīng)力由70.14kPa(7-6-1)增加到72.84kPa(7-6-0)，增長率3.85%；當(dāng)層間接觸發(fā)生在6-5時(shí)，最大拉應(yīng)力由82.76kPa(6-5-1)增加到84.01kPa(6-5-0)，增長率3.85%；當(dāng)層間接觸發(fā)生在5-4時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)層底拉應(yīng)力影響較大，最大拉應(yīng)力由87.27kPa(6-5-1)增加到98.34kPa(6-5-0)，增長率12.68%。從數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底始終處于受拉狀態(tài)，不同的接觸條件均容易造成無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層受拉疲勞破壞，其中以5-4接觸影響最大。

2.2 層間接觸狀態(tài)對(duì)路床頂面豎向壓應(yīng)變的影響

路床頂面豎向壓應(yīng)變的控制可以有效控制路面車轍問題的出現(xiàn)，同時(shí)也可以為各路面結(jié)構(gòu)層永久變形提供理論依據(jù)。不同接觸條件下路床頂面豎向壓應(yīng)變?nèi)绫?。

表2 距離荷載中心位置不同位置下路床頂面豎向壓應(yīng)變(με)

從表2可以看到，路床頂面最大壓應(yīng)變發(fā)生在荷載中心位置正下方，與路面各結(jié)構(gòu)層完全粘結(jié)相比，不同接觸條件下均會(huì)導(dǎo)致路床頂面豎向壓應(yīng)變的增大。當(dāng)接觸發(fā)生在7-6時(shí)，路床頂面最大壓應(yīng)變發(fā)生在7-6-0為-148.95με，較層間完全粘結(jié)情況增加了12.96%；不同摩擦系數(shù)下路床頂面豎向壓應(yīng)變由-143.53με(7-6-1)增加到-148.95με(7-6-0)，增加了5.42με，增長率3.78%。當(dāng)接觸發(fā)生在6-5時(shí)，路床頂面最大壓應(yīng)變發(fā)生在6-5-0為-175.58με，較層間完全粘結(jié)情況增加了33.16%；不同摩擦系數(shù)下路床頂面豎向壓應(yīng)變由-171.91με(6-5-1)增加到-175.58με(6-5-0)，增加了3.67με，增長率2.13%。當(dāng)接觸發(fā)生在5-4時(shí)，路床頂面最大壓應(yīng)變發(fā)生在5-4-0為-212.53με，較完全粘結(jié)情況增加了61.18%；不同摩擦系數(shù)下路床頂面豎向壓應(yīng)變由-190.81με(5-4-1)增加到-212.53με(5-4-0)，增加了21.72με，增長率11.39%。

從數(shù)據(jù)分析中可以看到，不同層間粘結(jié)不良情況的發(fā)生均會(huì)導(dǎo)致路床頂面豎向壓應(yīng)變的增加，摩擦系數(shù)變化對(duì)路床頂面豎向壓應(yīng)變影響較小。當(dāng)層間粘結(jié)情況不良發(fā)生在ATB-25與基層時(shí)，路床頂面豎向壓應(yīng)變?cè)龇畲蟆?/p>

3 結(jié)論

以國內(nèi)典型路面結(jié)構(gòu)為依據(jù)，使用ANSYS建立了5m×5m×4.74m路面有限元模型，同時(shí)以接觸對(duì)的形式模擬了不同路面結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)不良的情況，分析了不同接觸情況下的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力及路床頂面豎向壓應(yīng)變，具體結(jié)論如下：

(1)計(jì)算結(jié)果表明，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底始終處于受拉狀態(tài)，不同的接觸條件均容易造成無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層受拉疲勞破壞，當(dāng)粘結(jié)不良情況發(fā)生在下面層與上基層時(shí)，對(duì)無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力影響最大。

(2)路床頂面壓應(yīng)變變化對(duì)基層反射裂縫及路面車轍等有較為明顯的影響，當(dāng)層間粘結(jié)情況不良發(fā)生在ATB-25與基層時(shí)，路床頂面豎向壓應(yīng)變?cè)龇畲螅虼嗽谑┕み^程中應(yīng)注意下面層與上基層的粘結(jié)控制。