連續配筋混凝土復合式瀝青路面層間接觸對其力學響應影響研究

鄧鳳祥 秦 苗 李 盛 梁曉東

(湖南省交通科學研究院有限公司1) 長沙 410015) (長沙理工大學交通運輸工程學院2) 長沙 410114) (湖南聯智科技股份有限公司3) 長沙 410019)

0 引 言

公路及城市道路瀝青路面的車轍變形已成為主要的早期病害類型，主要原因有兩個方面：①高溫和重載作用下，瀝青路面的車轍變形必然會較大，尤其是在長大縱坡及車輛起動和制動較頻繁的路段；②部分瀝青結合料高溫穩定性較差或瀝青混合料材料組成設計不合理，導致瀝青混合料在行車荷載和溫度綜合作用下易發生側向剪切流動[1-5].對于連續配筋混凝土復合式瀝青路面(CRC+AC復合式路面)，施工時瀝青混凝土如果直接攤鋪在連續配筋水泥混凝土板上，由于AC層和CRC板之間不同于瀝青面層內部存在集料的嵌擠作用，僅靠瀝青混合料內聚力以及瀝青層與配筋混凝土板間的接觸摩擦來抵抗水平剪力，抗剪能力相對其他路面結構較弱[6-8].且由于CRC+AC復合式路面結構特殊和相對復雜，其力學響應受層間接觸的影響更為顯著.Das等[9]研究發現黏層類型對剛柔復合式路面結構最大剪切強度影響顯著.Kruntcheva等[10]通過研究層間接觸與路面結構層間界面抗剪切強度之間的關系，得出層間連續或良好的接觸能提高路面結構的層間抗剪強度.彭妙娟等[11-12]指出良好的層間接觸可以有效提高路面抗車轍能力.任少博等[13]研究發現，對于復合式路面界面構造深度較好時，路面整體抗變形能力明顯提高.紀小平等[14]研究表明：黏層可有效提高層間抗剪強度，從而提高復合式路面高溫性能.李盛等[15]分析了三向非均布應力下CRC+AC復合式路面力學響應，但未充分考慮層間接觸對力學響應的影響.

我國瀝青路面結構設計的基本理論為彈性層狀體系理論[16]，計算時層間接觸狀態假設為完全連續，與實際路面結構的層間接觸狀態不一致，特別是用做層間接觸處理的粘層材料類型及用量都會影響層間的接觸水平，如果層間接觸不佳將導致層間界面成為整個路面結構的薄弱環節，路面結構的力學響應也將發生變化，最終加速路面結構服役壽命衰減.文中利用Abqaqus建立瀝青混合料蠕變模型和彈性模型，模擬連續變溫條件下在不同軸載及層間接觸條件下的剛柔復合式路面車轍變形，以及不同層間接觸對瀝青面層的力學響應，提升夏季高溫條件下剛柔復合式路面抗車轍病害及結構設計水平.

1 CRC+AC復合式路面有限元模型建立

1.1 路面模型建立

瀝青面層為分上、下兩層的黏彈性材料，其中上面層4 cm的AC-13，下面層為8 cm的AC-25，CRC板厚度24 cm、基層和粒料層分別為36 cm的水泥穩定碎石、15 cm的級配碎石.路面結構形式見圖1.

圖1 路面結構示意圖

運用ABAQUS建立三維模型，考慮到荷載和結構的對稱性，可采用1/2模型，模型尺寸：路面寬度(X軸方向)為2 m，路面深度(Y軸方向)為3 m，行車方向(Z軸)長度為3.5 m.采用非均勻網格，面層網格劃分更精細，面層以下區域劃分粗糙，見圖2.

圖2 模型網格劃分圖示

在溫度場計算時單元類型采用DC3D8，其他計算采用C3D8R的單元類型，左右兩側水平方向約束，模型底部為豎向約束[17].

1.2 路面結構計算參數確定

結合文獻[17]和實體工程情況，確定CRC板與基層及土基的參數，見表1.瀝青層考慮材料的粘彈性，參數取值見表2.

表1 CRC板、基層和土基材料特性

表2 瀝青層彈性參數和蠕變參數

1.3 荷載模型的建立

采用單軸雙輪的BZZ-100豎向均布荷載，每個輪胎的胎面可以等效為0.192 m×0.186 m的矩形，輪胎接地壓強為0.7 MPa，雙輪間距為0.32 m，單側雙輪中心距路面中線0.91 m[18]，見圖3.

圖3 荷載示意圖

考慮面應力影響，面應力的大小為豎向均布荷載與水平力系數的乘積，作用區域同豎向均布荷載.參考文獻[18]，當車輛在緊急制動等不利狀態行駛時，選取水平力系數為0.5.

1.4 層間接觸條件設置

建模時通過Abaqus軟件中的Interaction模塊可以設置不同的層間接觸條件，路面結構層間接觸狀態用摩阻系數f來表征.

主要考慮路面結構在瀝青面層和CRC板之間的粘結情況對面層的車轍影響，因此只設置一個接觸面，瀝青層底面作為接觸對的主面，CRC板表面作為接觸對的從面.

2 CRC+AC復合式路面結構溫度場研究

2.1 溫度場相關理論

1) 太陽輻射模擬 太陽輻射熱交換的日變化過程可采用函數近似表示.

(1)

式中：q0為太陽日最大輻射，q0=0.131Qm,Q為太陽日輻射總量，J/m2；m=12/c;ω為角頻率，ω=2π/24，rad；c為實際有效日照時數，h.

在ABAQUS有限元軟件中通過Load模塊以及子程序DFLUX，實現太陽輻射的數值模擬.

2) 氣溫及對流熱交換 氣溫變化過程可通過正弦函數線性組合式模擬.氣溫與對流交換通過ABAQUS有限元軟件中的Interaction模塊與子程序FILM來模擬.

0.14sin(2ω(t-t0))]

(2)

3) 路面有效輻射 路面有效輻射可采用式(3)表征，通過ABAQUS有限元軟件中的Interaction模塊進行定義.

qF=εσ[(θ1|Z=0-θZ)4-(θa-θz)4]

(3)

式中：qF為地面有效輻射，W/(m2·℃)；ε為路面發射率，取0.81；σ為Stefan-Boltzmann常數，σ=5.669 7×10-8,W/(m2K4)；θ1|Z=0為路表溫度，℃；θa為大氣溫度，℃；θz為赴力學零度值，℃，θz=-273 ℃.

2.2 溫度場分析

通過有限元三維模型進行傳熱計算，可得到夏季高溫季節1d24 h內CRC+AC復合式路面各結構層的溫度變化情況.以路面結構沿行車方向的橫斷面為分析對象，提取24 h內不同時刻和不同深度處的溫度值，得到CRC+AC復合式路面結構的溫度場數據，見圖4.

圖4 溫度隨深度和時間變化情況

由圖4可知：路面各結構層溫度受大氣溫度及太陽輻射影響，熱量由面層結構逐漸向下部結構傳遞.面層結構直接經受外部環境的作用，加之瀝青混合料對溫度的敏感性較高，因而面層結構的溫度及其變化幅度是最大的.面層結構溫度在上午06:00—12:00急劇升高，在13:00達到峰值58 ℃，此時路面面層大部分結構處于高溫工作狀態.隨后在14:00至日落前后面層溫度開始顯著下降.而面層以下的CRC板溫度增長相對比較平緩，在18:00左右達到峰值，約為35 ℃.基層溫度緩慢變化，變化幅度并不大，直至24:00最高溫度仍維持在27 ℃.對于CRC+AC復合式路面，面層以下的溫度相對比較穩定.由此可見，路面面層結構對環境溫度及太陽輻射較為敏感，面層溫度會隨著氣溫及日照的強度呈現較大幅度的變化.

3 層間接觸對車轍及力學響應的影響分析

3.1 層間接觸對車轍的影響分析

影響路面車轍的主要原因包括汽車荷載的頻繁加載和卸載，蠕變模型分析中不僅要考慮材料參數，還要考慮荷載作用時間.通過將路面結構所承受的多次荷載等效為汽車荷載累計作用時長，實現汽車荷載多次作用的模擬.荷載累計作用時間為

(4)

式中：t為輪載累計作用時間，s；N為輪載作用次數，次；P為車輛軸重，100 kN；nw為軸的輪數，四個；p為輪胎接地壓力，700 MPa；B為輪胎接地寬度，21.3 cm；V為行車速度，80 km/h.

表3為不同軸載作用次數對應的累計作用時間.

表3 不同軸載作用次數對應的累計作用時間

瀝青面層與CRC板的層間接觸狀態用可用摩擦系數f來表示，取值為0～1之間，當f=1時，為完全連續的層間接觸狀態，當f=0時，為完全光滑的層間接觸狀態.目前實體工程中一般會對瀝青面層與CRC板的層間用同步碎石封層進行處理，所以文章研究層間接觸狀態對瀝青面層車轍深度的影響，不考慮完全光滑的層間接觸狀態，f值分別取0.1，0.3，0.5，0.7，1.0.不同層間接觸情況和軸載作用次數對車轍深度的影響見圖5.

圖5 車轍深度與軸載作用次數及層間接觸的關系

由圖5可知：隨軸載作用次數增加，車轍變形逐漸增大，且增量逐漸減少最后趨于穩定.瀝青面層和CRC板之間的層間接觸由完全連續到不完全連續時，隨層間摩阻系數減小，車轍變形不斷增大.以軸載作用次數250萬次為例，f=0.7的車轍深度相對連續的增量為1.8%，f=0.5相對增量為5.6%，f=0.3相對增量為15.5%，f=0.7相對增量為29.4%.改善復合式路面瀝青面層與CRC板的層間接觸可有效減少車轍.

3.2 層間接觸對力學響應分析

CRC+AC復合式路面瀝青面層車轍破壞與面層內部應力大小和分布情況密切相關.計算不同接觸狀態下的力學指標時，根據計算結果和路面的受力特點，輪跡中心的豎向應力較大，輪跡后端的縱向應力較大，輪隙處有較大的橫向應力，荷載邊緣的剪應力較大.因此計算豎向應力選輪跡中心為計算點位，計算縱向應力選輪跡后端為計算點位，計算剪應力時取輪跡外側邊緣為計算點位，以軸載作用次數為250萬次為例.結果見圖6.

圖6 不同瀝青層層位的豎向應力

由圖6可知：在行車荷載作用下，CRC+AC復合式路面結構內的壓應力由瀝青層表面逐步向下擴散傳遞，到基層底部壓應力峰值變得較小.路表壓應力在不同層間接觸條件下應力峰值相差不大，而上面層底壓應力在f=0.1條件下相較于f=1時增長了14.15%，下面層底壓應力在f=0.1條件下相較于f=1時增長了23.23%.瀝青面層與CRC板的層間接觸條件對靠近CRC板的面層壓應力影響更大.

計算縱向應力(σz)在深度方向的分布、橫向應力(σx)在深度方向的分布，分析層間接觸對瀝青面層內部力學響應的影響規律，結果見圖7.

圖7 縱、橫向應力沿路表深度分布

由圖7可知：瀝青面層與CRC板之間的層間無論是完全連續還是摩擦接觸時，縱向拉應力與橫向拉應力沿深度的變化規律大體一致.瀝青表面層縱向拉應力在瀝青面層與CRC板層間不連續與完全連續時相比最大應力增加了30.4%，瀝青下面層底層縱向拉應力在瀝青面層與CRC板層間不連續與完全連續時相比最大應力減小了31.6%，AC層與CRC板層間的不連續引起的最大縱向拉應力變化較為明顯.不同的層間接觸條件下，對AC層的表面層橫向拉應力影響更大，瀝青表面層橫向拉應力在瀝青面層與CRC板層間不連續與完全連續時相比最大應力增大了31.0%，在距路表0.08 m以下的面層橫向拉應力大小接近一致.因此,不同的AC層與CRC板層間接觸狀態對于沿路表深度縱向拉應力分布影響較大，而對于橫向拉應力的影響主要集中靠近表面層.

橫向剪應力是導致路面產生車轍病害的主要原因.計算不同層間接觸狀態下橫向剪應力(τyz)在深度方向上的分布，結果見圖8.

圖8 橫向剪應力沿路表深度分布

由圖8可知：對于CRC+AC復合式路面，層間接觸狀態對界面層可能出現的橫向剪應力峰值(τyz max)有較大影響.在面層連續的情況下，上面層深度范圍內，橫向剪應力在路表下1～4 cm處出現峰值.當接觸系數f=0.1時，瀝青面層和CRC板的界面層可能出現的橫向剪應力峰值只有0.045 MPa，是完全接觸時的25%；當接觸系數f=0.7時，瀝青面層和CRC板的界面的橫向剪應力峰值為0.188 MPa，為層間完全接觸時的98%；層間接觸越好，層間界面的橫向剪應力峰值越大，說明層間接觸良好可更好地傳遞行車荷載的水平力作用，有利于減小瀝青面層的剪切開裂.

4 結 論

1) 隨軸載作用次數增加，車轍變形逐漸增大，且增量逐漸減少最后趨于穩定；隨層間摩阻系數減小，車轍變形不斷增大，即層間接觸差則車轍變形更大.

2) 瀝青面層的壓應力隨著摩擦系數的增大而減小，且瀝青面層與CRC板的層間接觸狀況對靠近CRC板的下面層壓應力影響更大，瀝青面層的層間接觸狀態越好，越不容易產生壓密型車轍.

3) 瀝青面層與CRC板之間的層間無論是完全連續還是摩擦接觸時，縱向拉應力、橫向拉應力沿深度的變化規律大致相同；不同的接觸狀態，對于沿路表深度縱向拉應力分布影響較大，而對于橫向拉應力的影響主要集中靠近表面層.

4) 當接觸系數f=0.1時，界面層τyz max=0.045 MPa是完全接觸時的25%；當接觸系數f=0.7時，界面層τyz max=0.188 MPa是完全接觸時的98%，良好的層間接觸可以更好地傳遞車輛荷載的水平作用力，有利于減小瀝青面層的剪切開裂.