金家明

摘要：傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范以層狀彈性體系為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)假定道路各結(jié)構(gòu)層之間的接觸面完全連續(xù)。然而，實(shí)際瀝青混凝土路面時(shí)多層體系結(jié)構(gòu)，這與我國(guó)半剛性基層瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的相應(yīng)規(guī)定不符，因此層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混凝土路面的性能有較大的影響，如果層間接觸不好很容易引發(fā)路面開(kāi)裂、層間推移等破壞。據(jù)此，利用有限元軟件ANSYS，模擬實(shí)際道路模型，分析在勻速情況下，不同的層間接觸條件對(duì)瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，層間解除狀態(tài)對(duì)最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有較大的影響，宏觀上講，層間接觸狀態(tài)對(duì)車(chē)轍病害有較大的影響，良好的層間接觸狀態(tài)可以大大降低路面車(chē)轍病害的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：半剛性基層；瀝青路面；有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.17.117

0引言

瀝青混凝土路面層間接觸狀態(tài)的好壞對(duì)道路的使用性能和服務(wù)壽命有較大的影響。我國(guó)現(xiàn)行的半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范以層狀彈性體系為基礎(chǔ)，層狀彈性體系理論假設(shè)瀝青混凝土路面各結(jié)構(gòu)層之間的層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)假定道路各結(jié)構(gòu)層之間的接觸面完全連續(xù)。然而，由于施工、設(shè)計(jì)等方面技術(shù)不成熟以及實(shí)際操作人員的不重視，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層間材料特性差異或者面層的分層鋪筑導(dǎo)致層間接觸往往難以達(dá)到完全連續(xù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青混凝土路面的層間接觸條件進(jìn)行了大量的研究。武建民，蘇凱，宋田興等通過(guò)對(duì)瀝青混凝土路面層間推移破壞進(jìn)行研究分析，得出了層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)；薛亮，張維剛，梁鴻頡等分別計(jì)算分析了不同層間接觸狀態(tài)下的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)，闡述了不良的層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混凝土路面的負(fù)面影響；馮德成，宋宇等則通過(guò)層間接觸狀態(tài)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響這一角度來(lái)分析層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混凝土路面的影響。

本文針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的半剛性基層瀝青面層結(jié)構(gòu)，采用有限元方法，分析不同層間接觸狀態(tài)下路面各結(jié)構(gòu)層之間的剪應(yīng)力分布，以期能夠得出層間接觸狀態(tài)對(duì)多層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。

1路面結(jié)構(gòu)模型的建立

1.1路面結(jié)構(gòu)和材料

路面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)如表1所示。

1.2荷載的確定

本文采用公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)軸載荷以BZZ-100表示，單軸雙輪組荷載為100kN，輪胎壓力為0.7MPa。

1.3路面結(jié)構(gòu)模型的建立

路面結(jié)構(gòu)模型采用線彈性計(jì)算模型8節(jié)點(diǎn)solid45單元進(jìn)行瀝青面層內(nèi)最大剪應(yīng)力分析。長(zhǎng)寬分別為5m、10m，土基深度為6m。三維有限元模型的邊界條件假定為：（1）在左右兩側(cè)沒(méi)有X方向位移；（2）在底部沒(méi)有Z方向位移；（3）在前后兩側(cè)沒(méi)有Y方向位移。為了將ANSYS的計(jì)算時(shí)間減至最小，同時(shí)提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，在輪胎-路面接觸區(qū)域，網(wǎng)格劃分較細(xì)，而在輪胎接地印痕以外的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較粗。分別在x=005325處、x=015975處和x=0213處分析最大拉應(yīng)變隨深度變化的規(guī)律。由計(jì)算結(jié)果可以看出，二者計(jì)算結(jié)果十分近似，因此，可以認(rèn)為本文選取的瀝青路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型是合理的。

2層間接觸狀態(tài)的確定

我國(guó)現(xiàn)有的瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算中，將瀝青路面結(jié)構(gòu)看成一個(gè)整體，這與實(shí)際情況不符，在分層鋪筑、分層壓實(shí)的路面施工過(guò)程中，各結(jié)構(gòu)層之間并不是完全連續(xù)的，是處于完全滑動(dòng)與完全連續(xù)之間的狀態(tài)。根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)，本文一共考慮四個(gè)結(jié)構(gòu)層之間的層間接觸狀態(tài)，即上面層與中面層之間的層間接觸狀態(tài)，中面層與下面層之間的層間接觸狀態(tài)，下面層與基層之間測(cè)層間接觸狀態(tài)。在有限元計(jì)算時(shí)，采用層間結(jié)合系數(shù)f來(lái)表征路面層間不同的接觸狀態(tài)，取f分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8。當(dāng)f為0時(shí)代表層間完全滑動(dòng)，當(dāng)f為1時(shí)代表層間完全連續(xù)。

3路面的力學(xué)響應(yīng)分析

3.1本文不考慮加速度的影響

假設(shè)車(chē)輛勻速行駛，本文以高速公路車(chē)轍病害為突破點(diǎn)，因此，采用面層最大剪應(yīng)力和路標(biāo)豎向并行為比較參數(shù)，綜合評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)整體性能。

3.2層間接觸對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響

本文采用正交設(shè)計(jì)的方法，分別計(jì)算分析上面層與中面層f1、中面層與下面層f2以及下面層與基層f3之間的接觸狀態(tài)，對(duì)這四個(gè)層位的接觸狀態(tài)進(jìn)行正交方案設(shè)計(jì)，考慮到四個(gè)層位的接觸狀態(tài)的交互作用，

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，一般情況下，最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置一般位于上面層的底部，而當(dāng)f1為0.8時(shí)，f2為0.4時(shí)，最大剪應(yīng)力最大值的位置由上面層底部轉(zhuǎn)移到中面層底部，即最大剪應(yīng)力最大值的位置發(fā)生了改變。這說(shuō)明，上面層與中面層之間的層間接觸良好而中面層與下面層之間的層間接觸不良時(shí)，中面層底部的最大剪應(yīng)力受到明顯影響，會(huì)顯著增大，當(dāng)增大到一定程度，超過(guò)上面層底部的最大剪應(yīng)力時(shí)，路面潛在的破壞位置也從上面層底部轉(zhuǎn)移到中面層底部。而最大剪應(yīng)力往往是表征車(chē)轍病害的參數(shù)，也就是說(shuō)，層間接觸狀態(tài)對(duì)車(chē)轍的影響較大。

4結(jié)論

本文利用有限元軟件ANSYS，模擬實(shí)際道路模型，分析在勻速情況下，不同的層間接觸條件對(duì)瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，層間解除狀態(tài)對(duì)最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有較大的影響，宏觀上講，層間接觸狀態(tài)對(duì)車(chē)轍病害有較大的影響，良好的層間接觸狀態(tài)可以大大降低路面車(chē)轍病害的出現(xiàn)。

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