魏 姍，楊慶國，谷建義

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074))

瀝青路面基層與面層局部粘結(jié)失效的受力分析

魏 姍，楊慶國，谷建義

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074))

采用ANSYS通用計算軟件，考慮不同的粘結(jié)狀態(tài)，對瀝青路面基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化時，各層底面的最大主應力和最大剪應力的變化情況進行計算。結(jié)果表明:當車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域時，上面層和下面層底面的最大主拉應力隨粘結(jié)的失效顯著增加，中面層底面的最大主拉應力和各層底面的最大剪應力受粘結(jié)狀態(tài)變化的影響較小;當車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域邊緣時，各面層底面將產(chǎn)生較大的剪應力，但最大剪應力受粘結(jié)狀態(tài)變化的影響較小。

瀝青路面;面層;基層;局部;粘結(jié)狀態(tài);拉應力;剪應力

瀝青路面具有良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能，建設速度快，維修方便［1］。因此，我國新建的大部分公路和城市道路都采用瀝青路面。在進行路面結(jié)構(gòu)層厚度設計計算時，采用的理論模型為彈性層狀連續(xù)體系理論模型［2-3］。彈性層狀連續(xù)體系模型的層間狀態(tài)的核心是“連續(xù)”，即各材料層之間的邊界條件被視為連續(xù)的，即瀝青路面各面層之間、面層與基層之間、基層與底基層之間都是完好粘結(jié)在一起的整體。因此，做好基層和面層間處治工作對保證路面結(jié)構(gòu)在運營期內(nèi)優(yōu)良的使用質(zhì)量是非常關(guān)鍵的［4］。

JTJ 014—97《公路瀝青路面設計規(guī)范》中規(guī)定，為保證面層與基層之間不產(chǎn)生相對滑動，在瀝青面層與半剛性基層或粒料基層之間應設置透層瀝青。然而，現(xiàn)場取芯的結(jié)果表明:這種措施不能充分保證兩層材料的完全粘結(jié);另一方面，由于半剛性材料和瀝青混合料的材料性質(zhì)明顯不同，在后期荷載和環(huán)境的作用下，面層與基層間的層間粘結(jié)狀態(tài)也將發(fā)生變化。可見瀝青路面的實際層間狀態(tài)是偏離設計中的層間連續(xù)狀態(tài)的。

近年來，層間粘結(jié)狀態(tài)的變化對瀝青路面各層應力的影響已經(jīng)引起學者們的關(guān)注［1，5-7］。目前研究的重點是層間粘結(jié)狀態(tài)整體變化的情況，即假設整個路面結(jié)構(gòu)中層間粘結(jié)狀態(tài)完全一樣。其中對半剛性基層瀝青路面層間處于完全連續(xù)，完全滑動狀態(tài)條件下路面各層的受力分析較多;由于層間處于完全連續(xù)和完全滑動只是2種理想的狀態(tài)，有必要關(guān)注層間處于半連續(xù)半滑動狀態(tài)時的受力響應。

在實際路面中很少存在整個路面的層間粘結(jié)狀態(tài)同時發(fā)生變化的情況。從瀝青路面的應用和其所受作用的角度來看，瀝青路面層間粘結(jié)狀態(tài)的變化是一個衰變的過程。層間粘結(jié)效果是從一個小范圍內(nèi)開始逐漸變化的，隨著損傷的積累，層間粘結(jié)效果越來越差，層間粘結(jié)狀態(tài)變化的區(qū)域也越來越大，并逐步演變成路面的早期病害。因此，進一步研究瀝青路面局部粘結(jié)狀態(tài)變化對路面結(jié)構(gòu)的受力影響顯得更有意義。

筆者采用通用有限元軟件ANSYS建立不同工況下的有限元模型，分析瀝青路面下面層和基層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化對路面各層底面的最大主應力和最大剪應力的影響，重點對下面層底面的最大主應力和最大剪應力進行分析。

1 瀝青路面基層和面層局部粘結(jié)狀態(tài)變化的力學模型建立

1.1 路面結(jié)構(gòu)模型設定

采用ANSYS有限元軟件對瀝青路面進行三維仿真，計算分析瀝青路面基層與面層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化對路面各層受力的影響。計算采用典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式［8］，研究對象由中粒式瀝青混凝土上面層、粗粒式瀝青混凝土中面層、瀝青碎石下面層、水泥穩(wěn)定碎石上基層、二灰土下基層、土基組成，其中各層的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Material parameters of road structure

1.2 模型尺寸的選擇和計算假定

筆者著重分析在車輪荷載作用下，瀝青路面基層與面層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化對路面各層受力的影響。由于在車輪荷載作用下，路面各層的拉應力峰值出現(xiàn)在荷載接觸面附近一定范圍內(nèi)，剪應力峰值出現(xiàn)在荷載接觸面范圍內(nèi)［1］，因此在充分考慮車輪接地尺寸和垂直應力等特征后，確定計算模型的平面尺寸為3 m×3 m。

為了分析基層和面層間粘結(jié)狀態(tài)變化對路面各層的受力影響，粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)的尺寸要大于車輪接地尺寸一定范圍;為了區(qū)分基層與面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化與整體粘結(jié)狀態(tài)變化對路面各層受力影響的不同，粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的尺寸不宜超出車輪接地尺寸太多。綜合分析后，確定模型的中部粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的平面尺寸為0.6 m×0.6 m。

計算采用通用有限元計算軟件ANSYS進行，對材料性質(zhì)及各層邊界條件做如下假設:

1)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性體［5］;

2)地基底面各項位移和轉(zhuǎn)角為0，基層及面層側(cè)向約束法線的水平位移［1］;

3)考慮層間部分結(jié)合狀態(tài)為完全連續(xù)或完全光滑，以及半連續(xù)半光滑的情況(考慮摩擦系數(shù)為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1)，其它區(qū)域粘結(jié)完好。

1.3 荷載參數(shù)選取和工況設定

由于模型的對稱性，計算中采用1/2模型進行分析，車輪荷載采用標準軸BZZ-100，軸重100 kN，輪壓0.7 MPa，考慮車輛車輪制動時對路面產(chǎn)生的水平荷載，水平荷載取0.5P(P為垂直荷載)。

為便于有限元分析，輪壓作用范圍設定為16 cm×20 cm的矩形，雙輪中心距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為180 cm。

由于層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的存在，當車輪荷載作用在不同位置時，路面各層將產(chǎn)生不同的力學響應。根據(jù)計算分析知，當荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時，各面層底面將產(chǎn)生較大的主拉應力;當荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域邊緣時，各面層底面將產(chǎn)生較大的剪應力。因此，分析中考慮2種荷載工況:

1)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)，荷載作用位置如圖1;

2)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域的邊緣，荷載作用位置如圖2。

1.4 網(wǎng)絡劃分與單元選取

計算中主要分析各面層受局部粘結(jié)狀態(tài)變化的影響，因此為了保證計算精度，采用精度較高的六面體單元solid 65來模擬瀝青路面的上面層、中面層、下面層和上基層;采用四面體單元solid 92來模擬下基層和土基。綜合考慮計算效率和計算精確度，六面體單元solid 65采用精度較高的六面體網(wǎng)格進行劃分，四面體單元solid 92采用自由網(wǎng)格進行劃分。

2 荷載作用在層間粘結(jié)態(tài)變化區(qū)時的受力分析

2.1 基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化對各面層底面最大主應力的影響

當車輪作用在層間粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域上部時，瀝青路面各層底面將產(chǎn)生較大的主拉應力，最大主拉應力出現(xiàn)在車輪邊緣的下方。計算結(jié)果見表2。

表2 層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化時路面各層底面的主拉應力S1計算Tab.2 The maximal tensile stress S1calculation table of each layer’s bottom /MPa

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，當車輪荷載作用在層間粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域上部時，瀝青路面下面層底面的主拉應力較大，并且隨著層間摩擦系數(shù)的減小，最大主拉應力會隨之增加，當粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域處于光滑接觸狀態(tài)時，下面層底面的最大主拉應力達到完全連續(xù)狀態(tài)的2倍以上，結(jié)果分析見圖3。當瀝青路面面層與基層處于完全連續(xù)狀態(tài)時，路面中面層底面的最大主拉應力為0.248 MPa，當基層和下面層出現(xiàn)局部粘結(jié)變化時，隨著粘結(jié)性能的失效，最大主拉應力會有所減小，但減小幅度不大，因此對路面結(jié)構(gòu)的影響也不大，其分析結(jié)果見圖4。

瀝青路面下面層與基層間局部粘結(jié)狀態(tài)的變化，會導致上面層底面最大主拉應力的增加，當粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域由完全連續(xù)狀態(tài)變?yōu)橥耆瑒訝顟B(tài)時，上面層底面的最大主拉應力增加大概40%左右，其分析結(jié)果見圖5。

2.2 基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化對各面層底面最大剪應力的影響

當車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域的上部時，各面層底面產(chǎn)生較大的剪應力，其計算結(jié)果見表3。

Tab.3 The maximal shear stress Syzon each layer’s bottom with the change of bonding condition /MPa

由表3的數(shù)據(jù)可知，在車輪荷載的作用下，瀝青路面上面層和中面層底面產(chǎn)生較大的剪應力，但剪應力受粘結(jié)狀態(tài)的影響很小;瀝青路面下面層底面的剪應力較小，但受層間粘結(jié)狀態(tài)的影響較大，層間粘結(jié)狀態(tài)由完全連續(xù)狀態(tài)變?yōu)橥耆瑒訒r，下面層底面的最大剪應力減小大概一半，其分析結(jié)果見圖6。

圖6 層間粘結(jié)與下面層底面最大剪應力Syz關(guān)系Fig.6 The maximal shear stress Syzof the bottom layer’s bottom with the change of bonding condition

由于當車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時，下面層底面的剪應力很小，因此在這種荷載工況下局部粘結(jié)變化對路面結(jié)構(gòu)的影響很小。

由此可見，局部層間粘結(jié)狀態(tài)的變化對各面層底面的主拉應力有很大的影響，特別是對下面層底面的主拉應力有很大的影響。下面層和基層之間部分粘結(jié)的失效，會使下面層底面主拉應力大幅度增加，從而導致層間粘結(jié)的進一步破壞。

3 荷載作用在層間粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)邊緣時的受力分析

當車輪荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)完好區(qū)域的邊緣時，路面各層底面將產(chǎn)生較大的剪應力，最大剪應力出現(xiàn)在車輪正下方。計算結(jié)果見表4。

表4 層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化時路面各層底面最大剪應力Syz計算Tab.4 The maximal shear stress Syzon each layer’s bottom with the change of bonding condition /MPa

由表4的計算結(jié)果可知，當車輪荷載作用在結(jié)合狀態(tài)完好區(qū)域的邊緣時，路面各層底面的剪應力很大，由于荷載作用在下面層和基層粘結(jié)完好區(qū)域，因此受層間部分粘結(jié)狀態(tài)變化的影響很小。

4 結(jié)論

針對瀝青路面出現(xiàn)基層和面層間局部粘結(jié)狀態(tài)變化的情況，通過有限元方法分析了在不同的荷載工況下，局部粘結(jié)狀態(tài)變化對路面各層底面最大主拉應力和最大剪應力的影響，主要得到了以下幾點:

1)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時，基層和面層間局部粘結(jié)的失效會使下面層和上面層底面的最大主拉應力大幅度增加，特別是下面層底面的最大主拉應力，增大幅度達2倍以上。

2)荷載作用在粘結(jié)狀態(tài)變化區(qū)時，各面層底面的剪應力很小，且中面層底面的最大主拉應力和各面層底面的最大剪應力受粘結(jié)狀態(tài)變化的影響較小。

3)荷載作用在結(jié)合狀態(tài)完好區(qū)邊緣時，各面層底面產(chǎn)生較大的剪應力，但受層間粘結(jié)狀態(tài)的影響很小。

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Stress Analysis on Different Partial Bonding Condition between Base Course and Surface Course of Asphalt Pavement

WEI Shan，YANG Qing-guo，GU Jian-yi
(School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Maximum principal tensile stress and maximum shear stress on each layer’s bottom caused by the changes of the partial bonding condition between the base course and the surface courses of asphalt pavement are be calculated by ANSYS.The results show that when the wheel loads act on bonding failure area，the maximum principal tensile stress will have a significant increase in the top surface layer’s bottom and the bottom layer’s bottom;the maximum principal tensile stress has little influence on the middle surface layer’s bottom;and maximum shear stress has little influence on the bottom of each layer.When the wheel loads act on intact area，shear stress has little influence by the bonding condition near the bonding failure area.

asphalt pavement;surface course;base course;bonding condition;tensile stress;shear stress

U416.217

A

1674-0696(2011)03-0403-04

2011-03-10;

2011-04-08

魏 姍(1987-)，女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事橋梁、道路及力學方面的研究。E-mail:530774684@qq.com。