瀝青路面溫度應(yīng)力研究進(jìn)展

朱洪洲,雷 蕾,陳瑞璞,劉玉峰

(1. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程研究中心, 重慶 400074;2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074;3. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 湖北 武漢 430056)

0 引 言

瀝青路面結(jié)構(gòu)在服役過程中,由于完全暴露于大氣環(huán)境,受到車輛荷載、溫度、雨雪等因素影響,會出現(xiàn)裂縫及各種病害,影響路面的整體性、美觀性、降低路面的使用壽命[1-4]。其中溫度對瀝青路面的作用效果不可忽視,由于溫度的不斷變化,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成時刻變化的溫度場及溫度應(yīng)力場。瀝青路面溫度應(yīng)力的產(chǎn)生原因主要有兩方面:① 路面內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層材料隨溫度的不斷變化而產(chǎn)生不同程度的收縮、膨脹變形,但由于材料之間的約束作用,使得變形并非自由進(jìn)行,由此產(chǎn)生了溫度應(yīng)力[5-6];② 瀝青路面受到太陽輻射以及外部大氣對流熱交換的影響非常顯著[7-8],兩者的作用會在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成不同的溫度梯度,對于瀝青混合料這種溫度敏感性材料,溫度的不均勻分布會產(chǎn)生溫度應(yīng)變,進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的溫度應(yīng)力[9]。隨著溫度應(yīng)力的不斷累積,當(dāng)應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度或溫縮變形超過其變形能力,路面就會出現(xiàn)裂縫,水沿裂縫滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,會引起侵蝕、剝落、松散等破壞[10-15]。故對瀝青路面溫度應(yīng)力的研究對減少裂縫類病害、保證路面在服役期間的功能性以及延長路面使用壽命具有重要價值。近年來國內(nèi)外學(xué)者對瀝青路面溫度應(yīng)力的分析研究愈發(fā)深入,利用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬或試驗研究手段,對其時空分布情況、影響因素等方面都展開了不同程度的研究。筆者從上述3種研究手段著手分析,對瀝青路面溫度應(yīng)力相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)評價,并對后續(xù)研究方向提出展望。

1 溫度應(yīng)力的理論計算

瀝青混合料是一種典型的彈-黏-塑性材料,在低溫條件下表現(xiàn)出一種近似彈性特性,在高溫條件下表現(xiàn)出黏塑性特性,其自身特性隨溫度、時間的變化而改變(簡稱溫變性),變異性受環(huán)境影響明顯[16-18]。根據(jù)瀝青混合料的材料特性,瀝青路面溫度應(yīng)力的研究理論基本可以分為兩類:層狀彈性理論和黏彈性理論[18]。

1.1 基本理論體系

層狀彈性理論將瀝青混合料視為彈性材料,考慮結(jié)構(gòu)層與層之間的聯(lián)結(jié)作用而對瀝青路面進(jìn)行分析研究。由于彈性理論忽略了材料流變特性,所以計算結(jié)果與實際情況出入較大,但該理論非常便于計算機(jī)建模求解,在工程的允許精度范圍內(nèi)可以應(yīng)用[19]。

黏彈性理論可以分為非線性及線性兩類。非線性黏彈性理論:在時間、溫度變化范圍跨度大時,瀝青混合料表現(xiàn)為明顯的非線性行為。R.A.SCHAPERY[20]首次提出一個擴(kuò)展的彈性-黏彈性原理,后經(jīng)Y.R.KIM等[21]引入到瀝青混合料中,用來表征材料黏彈性及破壞行為。H.J.LEE等[22]、E.LEVENBERG等[23]、C.W.HUANG等[24]均應(yīng)用該理論研究了瀝青混合料的破壞過程及損傷特性。線性黏彈性理論:在車輛荷載作用下,瀝青混合料表現(xiàn)為線性行為[25-27]。該理論是進(jìn)行瀝青路面黏彈性結(jié)構(gòu)分析的前提,也是研究材料非線性行為的基礎(chǔ)。在線性黏彈性范圍內(nèi),瀝青混合料符合簡單流變學(xué)特性及時溫等效原理,可以通過主曲線及時間-溫度位移因子得到材料的特性曲線[28-30]。Y.R.KIM等[31]借助該理論推導(dǎo)了瀝青混合料在間接拉伸加載模式下動態(tài)模量的解析解;E.LEVENBERG等[32]采用加載-卸載-間歇循環(huán)的方式進(jìn)行間接拉伸試驗,確定了瀝青混合料的線性黏彈特性;N.RYDEN[33]、A.GUDMARSSON等[34]通過數(shù)值計算擴(kuò)展了各個溫度下共振頻率的數(shù)量,提出了時間-溫度位移因子的確定方法;鄭健龍等[35]基于熱黏彈性理論,結(jié)合試驗得到瀝青混合料的三維熱黏彈性模型,并運(yùn)用Laplace變換推導(dǎo)出瀝青路面低溫狀態(tài)下溫度應(yīng)力理論計算公式;張肖寧等[36]利用時間-溫度等效原理對不同空隙率的瀝青混合料的動態(tài)頻射掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到了各黏彈性能主曲線。黏彈性理論復(fù)合瀝青混合料的材料特性,采用該理論得到的分析結(jié)果具有更高可信度。

1.2 溫度應(yīng)力的解析方法

1.2.1 國外研究方法

1) Hills &Brien解析方法

基于上述材料理論體系,許多學(xué)者從不同切入點(diǎn)進(jìn)行了深入研究。J.F.HILLS和D.BRIEN[37]是瀝青路面溫度應(yīng)力的最早研究者,其采用了較多的假設(shè):路面材料具有各向同性;結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力均勻分布;基層與面層之間光滑連接。其將路面材料看作是一個受完全約束的窄狀小條進(jìn)行分析,由此得出溫降時瀝青路面溫度應(yīng)力計算公式:

(1)

式中:σ(ν)為降溫速率為ν時路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力,MPa;α為線性熱膨脹系數(shù),m/(m·℃);Ts、Tf分別為降溫過程中的初始溫度和終了溫度,℃;S(t,T)為與時間t和溫度T相關(guān)的混合料勁度模量,MPa; ΔT為降溫幅度,ΔT=Ts-Tf。Hills &Brien解析方法采用彈性方程進(jìn)行熱應(yīng)力計算,用勁度模量S代替彈性模量E,具有一定科學(xué)性。但由于其未充分考慮材料黏彈性且計算S的加載時間t是任意假設(shè)值,因此應(yīng)力計算結(jié)果具有隨機(jī)性和不確定性,故應(yīng)用范圍及準(zhǔn)確性存在很大局限性。

2) Monismith解析方法

針對Hills &Brien解析方法的局限性,諸多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了修正。C.L.MONISMITH等[38]將20世紀(jì)60年代提出的一種更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)酿椥杂嬎惴椒╗39]應(yīng)用于瀝青路面,如式(2):

(2)

式中:σ(t)為t時刻的溫度應(yīng)力,MPa;E(t)為與時間t相關(guān)的瀝青混合料松弛模量,MPa;ε為由于溫度變化引起的路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)變;ξ為減少的時間,s。該方法在國外應(yīng)用較為廣泛,曾被納入標(biāo)準(zhǔn)與指南中[40-41],但也存在一定缺陷:其要求瀝青混合料必須符合簡單流變學(xué)特性以及時溫等效原理,然而以往學(xué)者的研究表明[42-43],瀝青混合料在低溫和長時間加載情況下,會偏離簡單流變學(xué)特性,因此,該方法的應(yīng)用范圍受限。

3) Judycki解析方法

J.JUDYCKI等[44]通過研究發(fā)現(xiàn),用Hills &Brien解析方法、Monismith解析方法得到的計算結(jié)果與美國公路研究戰(zhàn)略計劃(SHRP)提出的在約束試件的溫度應(yīng)力試驗(the thermal stress restrained specimen test, TSRST)結(jié)果存在顯著差異。因此,基于瀝青層是線性黏彈性材料,其在恒定溫度下的力學(xué)響應(yīng)可以用一定的流變模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的假設(shè),J.JUDYCKI等[44]提出了一種新的計算方法,如式(3):

(3)

式中:σ(t)為樣品t時刻的溫度應(yīng)力,MPa;σ0為試驗加載應(yīng)力,MPa;E1為麥克斯韋模型的彈性系數(shù),MPa;η1為麥克斯韋模型的阻尼系數(shù),MPa·s;t為加載時間,s;r1、r2為與E1、η1、E2、η2相關(guān)的參數(shù)。其中:E2為Kelvin模型的彈性系數(shù),MPa;η2為Kelvin模型的阻尼系數(shù),MPa·s;E1反映了瀝青高溫狀態(tài)下彈性變形的能力;η1反映不可恢復(fù)變形的黏性系數(shù),它與瀝青的黏性變形相關(guān);E2、η2反映了在長時間荷載作用及在常溫條件的荷載作用下瀝青延遲恢復(fù)變形的能力。

該方法可計算幾種不同溫度影響下的熱應(yīng)力,包括恒速冷卻或加熱、溫度變化和隨后的松弛以及第1次冷卻、第2次松弛和隨后第2次冷卻的循環(huán),在一定程度上可模擬真實的冬季溫度變化。該法未要求材料必須符合簡單熱流變特性,考慮了瀝青層的完全黏彈性,在新方法中,低溫下的材料只需滿足線性黏彈性、具有與流變Burgers模型一致的性質(zhì)即可。

隨后,J.JUDYCKI[45]還利用TSRST試驗驗證了理論計算結(jié)果,分析表明,新的黏彈性方法相較于Hillls &Brien解析方法、Monismith解析方法而言,與TSRST試驗吻合性最高。

4) Cannone解析方法

F.A.CANNONE等[46]對6種瀝青混合料進(jìn)行了小梁彎曲試驗,并將相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計擬合獲得參數(shù),通過Laplace 變換推導(dǎo),將卷積積分轉(zhuǎn)化為更簡單的數(shù)學(xué)公式,提供了一種更加簡便和實用的計算方法,如式(4):

σ(ξ)=a+bξc

(4)

式中:a、b、c、d均為擬合參數(shù);ξ為減少的時間(相較于參考溫度22 ℃)。

F.A.CANNONE等[46]還對計算結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計學(xué)分析,證實了Laplace變換方法的合理性和正確性。但是,由于其只分析了6種混合料,降溫速率只考慮了-2、-20 ℃/h 2種情況,其得到的結(jié)果有一定的局限性。

1.2.2 國內(nèi)研究方法

錢國平等[47]通過充分考慮環(huán)境氣候條件下瀝青混合料的黏彈性進(jìn)行溫度應(yīng)力計算分析,并且建立了瀝青路面一維增量型本構(gòu)關(guān)系、平面應(yīng)變增量型本構(gòu)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上更為合理地分析溫度應(yīng)力,如式(5):

(5)

田小革等[48]考慮了瀝青混合料的應(yīng)力松弛效應(yīng),對Hills &Brien公式進(jìn)行了修正,提出了修正后的溫度應(yīng)力計算公式,如式(6):

(6)

式中:σ為溫度從t0時的T0變化到t時的T產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,MPa;dσ為瞬時溫度應(yīng)力,MPa;G(T,t′)為瀝青混凝土在不同溫度T時的松弛模量主曲線方程;t′為有時溫等效原理計算出的等效松弛時間,s;α(T)為瀝青混合料不同溫度下的溫度收縮系數(shù)。

通過將該計算公式得出的結(jié)果與TSRST試驗曲線進(jìn)行驗證,結(jié)果表明,二者誤差較小,該公式計算精度較高。

由于先后考慮了材料黏彈性、應(yīng)力歷史和松弛效應(yīng)等,瀝青路面溫度應(yīng)力的解析模型逐漸改進(jìn)并完善。然而由于存在部分理論假定,溫度應(yīng)力預(yù)估模型的預(yù)測準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步提升,理論公式的使用范圍也有待進(jìn)一步擴(kuò)展。

2 溫度應(yīng)力的數(shù)值模擬方法

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與數(shù)值模擬自身的優(yōu)點(diǎn):① 效率高:可以快速改變材料特性及結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)置不同的工況,相對快速得到分析結(jié)果;② 成本低:相較試驗研究,所需資金少,周期短;③ 適用范圍廣:可進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)非線性分析等,模擬路面真實受力情況。故數(shù)值模擬方法在道路工程上的應(yīng)用越來越廣泛。

鄭木蓮等[49]通過ANSYS有限元軟件建立了三維模型分析瀝青路面混凝土基層溫度應(yīng)力情況,并假定基層、面層為完全連續(xù)接觸,基層、底基層為完全滑動狀態(tài),由此可減少底基層結(jié)構(gòu)材料參數(shù)的選取,并用層間滑動時的溫度應(yīng)力數(shù)值解的0.96倍來表征連續(xù)狀態(tài)的解,進(jìn)而簡化計算模型,從而分析溫度應(yīng)力隨不同影響因素的變化規(guī)律。因該模型與實際情況相差較大,任德斌等[50]對其進(jìn)行了一定的改進(jìn):考慮各個結(jié)構(gòu)層之間的黏結(jié)作用,假設(shè)路面各個結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)均為完全連續(xù)狀態(tài),在此基礎(chǔ)上分析沈陽市7月份和1月份2個典型日氣溫條件下瀝青路面的溫度應(yīng)力情況,進(jìn)而比較冬季低溫和夏季高溫對瀝青路面的損傷程度。任德斌等[50]通過分析指出:在冬季寒冷季節(jié),路面結(jié)構(gòu)層的溫度應(yīng)力均為拉應(yīng)力,并且路表處的拉應(yīng)力變化幅度最明顯;在夏季炎熱季節(jié),結(jié)構(gòu)層各層均承受壓應(yīng)力,路表處的溫度應(yīng)力變化幅度約為冬季的兩倍。但在進(jìn)行模型構(gòu)建時假定各結(jié)構(gòu)層材料特性為常數(shù),計算結(jié)果與實際情況存在一定誤差。針對該缺陷,后續(xù)學(xué)者對其進(jìn)行了一定修正,并得出如下結(jié)論:是否考慮材料參數(shù)的變化對于路表處的溫度應(yīng)力數(shù)值影響顯著;考慮材料參數(shù)變化時的結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力數(shù)值比材料參數(shù)為常數(shù)時大,但隨結(jié)構(gòu)層深度的增加,差異逐漸縮小。李煒光等[51]研究了瀝青路面溫度應(yīng)力與公路等級的關(guān)系,通過調(diào)查選取廣東、陜西、河南和吉林省冬季(1月份)、夏季(7月份)的氣溫數(shù)據(jù),運(yùn)用ANSYS軟件建立路面分析模型,結(jié)果表明,公路等級越高,基層處由于溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力比越小。

以上關(guān)于瀝青路面溫度應(yīng)力的研究只考慮了氣溫的影響。趙巖荊等[52]在此基礎(chǔ)上引入太陽輻射、路面與空氣對流作用以及風(fēng)速等影響,進(jìn)一步分析路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力的情況。其利用有限元軟件ABAQUS分析了瀝青路面溫度應(yīng)力季節(jié)性變化趨勢,在某地1、4、7、10月共4個月中每月選取一天來模擬春夏秋冬四季的溫度應(yīng)力情況,其通過分析指出,1月份溫度應(yīng)力數(shù)值最大,7月份的溫度應(yīng)力數(shù)值最小甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力;除此之外,還提出用比沖量(時間-溫度應(yīng)力坐標(biāo)軸下,應(yīng)力變化曲線與時間橫向坐標(biāo)軸所圍成的面積)來衡量溫度應(yīng)力,比沖量的變化規(guī)律與平均氣溫基本呈反比,與溫度應(yīng)力的變化規(guī)律具有一致性,可作為衡量指標(biāo)。A.D.CHIASSON等[53]考慮了路面傾斜角對溫度應(yīng)力的影響,其采用一種利用瞬態(tài)二維有限差分法計算瀝青路面溫度隨小時熱環(huán)境變化的分布并提出相應(yīng)溫度應(yīng)力的仿真模型。其對C.YAVUZTURK等[54]2005年提出的二維有限差分模型進(jìn)行了改進(jìn),該模型能夠逐小時測定瀝青路面任意點(diǎn)的溫度和熱應(yīng)力。研究表明:路面傾斜角對路面溫度分布有重要影響。根據(jù)地表方位角的不同,傾斜地表的溫度季節(jié)性地高于或低于水平地表的溫度。瀝青路面的熱應(yīng)力受路面材料的熱性能特別是瀝青層的導(dǎo)熱系數(shù)和鋪層厚度的影響很大。有學(xué)者[55]從微觀角度入手,對施工過程中瀝青-集料界面溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究,分析了不同界面形貌數(shù)學(xué)模型,利用有限元求解各情況下溫度應(yīng)力變化規(guī)律,研究表明:界面波峰、波谷及尖點(diǎn)處溫度應(yīng)力集中;粗糙集料可發(fā)揮一定的黏結(jié)作用,但同時會使得接觸面溫度殘余應(yīng)力過大以至瀝青涂層失效,故對于集料表面粗糙度應(yīng)予以平衡。

由上述分析可知,瀝青路面溫度應(yīng)力的影響因素眾多,確定不同參數(shù)對溫度應(yīng)力的影響效果,對科學(xué)判定路面服役狀態(tài)從而確定路面使用年限具有重要意義。相關(guān)影響因素的敏感性參考文獻(xiàn)[56] 。

瀝青路面溫度應(yīng)力的數(shù)值解析分析方法雖優(yōu)點(diǎn)多、應(yīng)用范圍廣,但模型的合理性依賴于參數(shù)選取。瀝青混合料作為一種復(fù)雜的黏彈性材料,相關(guān)屬性隨溫度及外界環(huán)境的變化情況較為復(fù)雜,若想進(jìn)行高精度數(shù)值模擬,需要對瀝青材料的變異性進(jìn)行深入分析,并在建模過程中予以體現(xiàn),如建立隨溫度變化的材料溫度收縮系數(shù)、勁度模量、泊松比等。此外,由于瀝青路面溫度應(yīng)力相關(guān)影響因素復(fù)雜眾多,目前關(guān)于影響因素的敏感性多為定性分析,后續(xù)可通過數(shù)值方法進(jìn)行定量研究。與此同時,針對我國幅員遼闊的特點(diǎn),以及瀝青路面層狀體系特點(diǎn),如何科學(xué)合理考慮不同結(jié)構(gòu)層層間黏結(jié)狀態(tài)、全面綜合考慮影響因素、建立適用不同地域的材料取值依據(jù),都是未來亟待解決的問題。

3 溫度應(yīng)力的試驗研究

3.1 TSRST試驗

美國公路研究戰(zhàn)略計劃(strategic highway research program,SHRP)提出約束試件溫度應(yīng)力試驗[57](thermal stress restrained specimen test,TSRST),可通過不同試驗裝置獲得一條溫度-應(yīng)力曲線。

從曲線中可以獲得4個重要指標(biāo):① 破斷溫度:試件可承受的最低溫度,該溫度下試件破壞; ② 破斷強(qiáng)度:試件破壞時可承受的最大應(yīng)力;③ 轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度:將溫度-應(yīng)力曲線分為兩部分,一部分是試件應(yīng)力隨溫度的降低呈曲性增長趨勢,到達(dá)某一點(diǎn)之后,轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系,這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度;④ 曲線斜率:反映了溫度應(yīng)力的增速,主要指直線部分的斜率。但A.F.MAIA等[58]、田小革等[48]都通過大量的TSRST試驗發(fā)現(xiàn):SHRP提出的典型曲線無法準(zhǔn)確全面代表瀝青混合料降溫過程中應(yīng)力變化規(guī)律。于是田小革等[48]通過測試不同初始溫度、不同降溫速率、不同牌號瀝青的溫度-應(yīng)力曲線,對該曲線進(jìn)行了修正:曲線在開始時隨溫度升高而出現(xiàn)增加趨勢;接近破斷溫度時,曲線斜率降低;超過該點(diǎn)后,溫度應(yīng)力會不斷減小。其認(rèn)為這可能是由于瀝青混合料為黏彈性材料,在溫度降低過程同時存在溫度收縮現(xiàn)象和應(yīng)力松弛現(xiàn)象,且溫度收縮系數(shù)逐漸減小所致[59]。該試驗?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確地模擬實際溫度變化情況,國際通用性最好,美國SHPR計劃將其作為評價瀝青混合料低溫性能的重要手段。但試驗裝備和操作方面較為復(fù)雜繁瑣,且設(shè)備精度要求高,試驗成本高,在施工方面的普適性較差[60]。

3.2 TCT試驗& BBCT試驗

M.PSZCZEOLA等[61]通過拉伸蠕變試驗(tensile creep test,TCT)和彎曲梁蠕變試驗(bending beam creep test,BBCT)對瀝青混合料的性能進(jìn)行了研究。2種試驗采用了3種瀝青混合料:AC-11-S(較低交通量)、AC-11-S(中等交通量)、AC-11-W(中等交通量)。每種瀝青混合料制備3個棱柱形試件,尺寸分別為40 mm ×40 mm ×169 mm(TCT);50 mm×50 mm×300 mm(BBCT),試驗所采用的溫度為:-20、-10、+5、+20 ℃(TCT);-20、-10、0、+10 ℃(BBCT)。試驗結(jié)束后,基于試驗數(shù)據(jù)得到剛度模量、Burgers模型參數(shù)以及主曲線參數(shù)。基于上述所得參數(shù),分別帶入式(1)、式(2),并比較了TSRST試驗曲線、Monismith解析方法曲線、Hills &Brien解析方法曲線。經(jīng)分析,基于TCT試驗數(shù)據(jù)的Monismith解析方法所繪制的曲線與標(biāo)準(zhǔn)TSRST試驗數(shù)據(jù)的契合度最高。由于應(yīng)力松弛效應(yīng)在Hills &Brien解析方法中未予以考慮,所以基于該方法所繪制的溫度-應(yīng)力曲線高于標(biāo)準(zhǔn)TSRST試驗,實際低估了路面結(jié)構(gòu)的耐受荷載。

3.3 ACCD試驗

M.AKENTUNA等[62]研制了一種環(huán)形的瀝青混凝土抗裂裝置(asphalt concrete cracking device, ACCD)。該裝置利用因瓦鋼的低熱膨脹系數(shù),當(dāng)溫度降低時,在HMA(hot-mix asphalt)樣品中產(chǎn)生拉應(yīng)力。使用壓縮在ACCD環(huán)周圍的缺口環(huán)形試樣進(jìn)行的試驗結(jié)果重復(fù)性良好。實驗室驗證表明:5種混合物的ACCD結(jié)果與TSRST試驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為0.93)。對于TSRST,從樣品制備到測量完成需要2～3 d的時間。對于ACCD,可以在一天內(nèi)用一個小的測試裝置制備和測試2個樣品。此外,ACCD的容量增加較為容易,可容納更多的樣本。

上述室內(nèi)試驗雖能嚴(yán)格控制試驗條件,避免其他因素的干擾,且試驗結(jié)果的獲取高效快捷,但由于增加了人為約束條件、脫離實際工程的服役環(huán)境,故試驗結(jié)果與真實情況存在一定誤差。相較而言,足尺路面試驗環(huán)道的數(shù)據(jù)更具科學(xué)合理性。足尺環(huán)道能夠設(shè)計鋪筑多種路面結(jié)構(gòu),為研究工作提供了空間便利性;其能夠保證數(shù)據(jù)采集工作的不間斷性和數(shù)據(jù)收集的系統(tǒng)性,為數(shù)據(jù)分析工作提供了技術(shù)便利性;其能夠?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行加速加載,加快試驗進(jìn)度,為后續(xù)工作提供時間便利性,是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)實際響應(yīng)研究最有效的一種方法[63]。

3.4 足尺路面試驗環(huán)道

國外具有代表性的足尺路面試驗環(huán)道有:美國NCAT試驗環(huán)道[64]、WesTrack西部環(huán)道[65]、法國LCPC環(huán)道[66]、西班牙CEDEX足尺環(huán)道[63,67]。但由于建設(shè)足尺路段需投入大量人力、資金、技術(shù)及時間,我國該方面的工作起步較晚。2015年11月中旬,我國道路工程領(lǐng)域第一條足尺環(huán)道建成,即交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院足尺路面試驗環(huán)道RIOHTrack(research institute of highway ministry of transport track),其結(jié)構(gòu)布置相關(guān)信息見文獻(xiàn)[68] 。

周興業(yè)[63]基于環(huán)道數(shù)據(jù),進(jìn)行了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度及溫度應(yīng)力分布情況的統(tǒng)計分析,結(jié)果表明:瀝青路面結(jié)構(gòu)分為上下兩層,在年溫度循環(huán)變化過程中,兩結(jié)構(gòu)層溫度大致存在2個交叉點(diǎn),分別出現(xiàn)在春季和秋季。在春-秋交叉點(diǎn)之間,上部結(jié)構(gòu)層溫度高于下部結(jié)構(gòu)層;秋-春交叉點(diǎn)之間,規(guī)律相反。且交叉點(diǎn)出現(xiàn)時間可持續(xù)一個月左右,在這一時間段內(nèi),結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行測定應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)時,存在較大干擾,測定結(jié)果會出現(xiàn)部分紊亂。所以進(jìn)行溫度、溫度應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時,應(yīng)盡量避免采用該階段測定的數(shù)據(jù)。

王旭東[68]對環(huán)境變化引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:

1) 環(huán)境溫度的變化不僅影響應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)的數(shù)值,而且改變其狀態(tài)。以RIOHTrack環(huán)道STR1結(jié)構(gòu)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層底部應(yīng)變?yōu)槔?冬季,該結(jié)構(gòu)層為壓應(yīng)變,壓應(yīng)變隨溫度增高而增大;到了春季,應(yīng)變狀態(tài)由壓應(yīng)變向拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化,隨溫度不斷升高,拉應(yīng)變急劇增加。

2) 瀝青混凝土層底部應(yīng)變和豎向應(yīng)力數(shù)值變化與環(huán)境溫度之間存在良好的相關(guān)性。

綜上所述,理論解析法通過不斷合理化模型假設(shè)條件,綜合考慮材料屬性,建立的理論模型逐漸趨于科學(xué),但由于解析法較為復(fù)雜的求解過程,在實際工程中的應(yīng)用受限;數(shù)值模擬方法優(yōu)點(diǎn)較多,高效便捷,能根據(jù)材料特性選取不同的分析模型,但參數(shù)取值如何更加接近材料真實情況是急需解決的問題,正因為如此,在選用數(shù)值模擬方法進(jìn)行路面響應(yīng)分析時,建模結(jié)果應(yīng)與相應(yīng)實測數(shù)據(jù)或理論解析解做對比驗證,以保證模型的精度;室內(nèi)實驗由于增加了人為約束條件,脫離實際工程的服役環(huán)境,試驗結(jié)果與真實情況存在一定誤差,相比之下,環(huán)道試驗的變異性及受人為因素的影響較小,可作為強(qiáng)有力的研究支撐。

4 結(jié) 語

理論解析方法作為最初始的研究方法,有不少學(xué)者基于此進(jìn)行了瀝青路面溫度應(yīng)力研究,其中J.JUDYCKI等[44]的研究具有綜合性與比較性,采用了材料黏彈性模型,分析結(jié)果具有一定合理性,但由于材料本身的復(fù)雜性、分析理論與影響因素的多樣性,使得理論分析方法的實施難度較高;后來數(shù)值模擬方法的應(yīng)用為高效分析路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)提供了可能性,但數(shù)據(jù)的收斂性與科學(xué)性需通過理論計算或試驗結(jié)論進(jìn)行驗證;試驗研究方法是驗證理論模型與數(shù)值模擬結(jié)果的最有效方式,其中足尺路面試驗環(huán)道的國際認(rèn)可度最高,我國RIOHTrack環(huán)道的數(shù)據(jù)表明:進(jìn)行溫度應(yīng)力分析時需避開2個交叉點(diǎn),且環(huán)境溫度的變化會改變路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力數(shù)值及狀態(tài)。

瀝青路面溫度應(yīng)力研究課題至今已有五六十年的歷史,但尚存在一定不足,后續(xù)研究工作可以從以下幾方面著手:

1)全壽命周期分析:由于路面結(jié)構(gòu)運(yùn)營的時間跨度性,需考慮材料性能衰減與老化影響,分階段運(yùn)維,借助足尺路面試驗環(huán)道相關(guān)實測數(shù)據(jù),可對不同結(jié)構(gòu)路面進(jìn)行全時程時效數(shù)據(jù)監(jiān)控與收集,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值分析,可科學(xué)預(yù)測路面長期使用性能及壽命。

2)區(qū)域性分析:由于我國地域廣闊,且瀝青路面筑路材料特性受外界環(huán)境的影響較大,針對不同氣候特性地區(qū)材料特性差異,結(jié)構(gòu)分析應(yīng)因地制宜;針對不同地區(qū)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行個性化設(shè)計,并具化不同區(qū)域的溫度應(yīng)力設(shè)計與驗算指標(biāo),完善現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范。

3)多因素耦合分析:瀝青路面結(jié)構(gòu)所處環(huán)境時刻發(fā)生變化,在外界溫度作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,與車輛荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力經(jīng)耦合后的變化規(guī)律是過去研究的熱點(diǎn)。針對復(fù)雜環(huán)境,后續(xù)可以考慮降水、凍融循環(huán)等與溫度、車輛荷載的耦合作用,更加科學(xué)分析瀝青路面的實際服役性能與運(yùn)營狀態(tài)。