高曉偉， 顏薇*， 宋琿， 任東亞， 艾長發(fā)

(1.西南交通大學 土木工程學院， 四川 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室;3.廈門百城建設投資有限公司)

在日益增長的交通量和重載車輛的反復作用下，瀝青路面易被破壞。為恢復路面性能，延長修復后路面的使用壽命，針對交通特點與環(huán)境條件，合理選擇路面改造措施是關鍵。其中，碾壓混凝土(RCC)基層瀝青路面由于其施工便捷以及良好的力學性能，在路面改造以及低等級路面中使用較廣。章佩佳認為RCC基層使應力在基層和面層之間進行了重分布，有利于保護基層，提高結構承載能力；黃準生認為RCC基層的厚度取18～24 cm較為適宜，在基層與瀝青面層之間設置土工織物或級配碎石過渡層能夠有效延長結構使用壽命；謝光寧認為在廣東高溫多雨地區(qū)RCC基層路面相比柔性路面在解決重載交通下瀝青路面耐久性的問題上更有優(yōu)勢；美國學者Delatte提出由RCC和熱拌瀝青(HMA)組成的復合式路面系統(tǒng)在承受重載交通時耐久性表現(xiàn)出色；Plati認為RCC的壓實模式(靜態(tài)，動態(tài)，兩者結合)以及溫度條件對其所在路面結構的承載力和使用壽命有較大影響。以上研究為RCC基層在新建與改造路面工程中的應用提供了理論與實踐支撐，但由于RCC材料溫度敏感性較強，在高溫和大溫差下會在內部產(chǎn)生較大溫度應力甚至影響結構的力學性能與使用壽命，而目前關于RCC基層瀝青路面在溫度以及溫度與移動荷載耦合作用下的動態(tài)力學響應研究較少，為此，該文依托南方某市某特重交通市政道路路面改造工程，利用Abaqus軟件對RCC基層、組合式基層以及傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面進行動態(tài)力學響應和溫度+移動荷載耦合分析，對比3種結構的性能優(yōu)劣。

1 路面結構方案和計算模型

1.1 路面結構方案

圖1為3種路面結構方案。其中結構1為原路面半剛性基層結構，由于較大的交通量以及重載車輛的長期作用導致結構1基層以上結構遭到破壞；結構2、3為兩種改造方案，分別為RCC基層和組合式基層瀝青路面結構。

圖1 3種路面結構(單位：cm)

1.2 計算模型

圖2為3種路面結構采用有限元計算模型，3種結構均長8 m，寬6 m，土基厚度5 m，X方向為荷載移動方向，Y方向為路面厚度方向，Z方向為道路橫斷面方向。其中半剛性基層路面總厚72 cm，組合式基層路面總厚104 cm，RCC基層路面總厚114 cm，其基層有1 cm切縫，切縫之間沒有力學傳遞。計算模型為連續(xù)模型，各結構層之間完全黏結(Tie約束)。

圖2 有限元計算模型

1.3 氣象參數(shù)與材料熱物性參數(shù)

瀝青路面溫度場的計算是一個復雜的過程，受許多因素影響，其中外部環(huán)境影響因素有：外部環(huán)境24 h氣溫變化、日太陽輻射總量Q、日平均風速v以及日照時間c。以Abaqus有限元分析軟件為計算平臺，借助用戶子程序FILM、DFLUX，考慮在太陽輻射、路面有效輻射、氣溫及對流熱交換影響作用下，模擬周期性變溫條件下路面結構溫度場。傳熱模型為一維傳熱，熱流沿著路面豎向進行傳遞，輻射面為路面結構的上表面。參考文獻[7]、[8]取值，路面發(fā)射率ε取0.9，太陽輻射吸收率as取0.85，Stefan-Boltzmann常數(shù)取2.041 092×10-4J/(h·m2·K4)，絕對零度值TZ取-273 ℃，其余氣象參數(shù)與材料的熱物性參數(shù)如表1、2所示，其中氣象參數(shù)選取7月夏季高溫時期。

表1 氣象參數(shù)

注：Q=25.8 MJ/m2，c=11.8 h，v=2.65 m/s。

表2 材料熱物理參數(shù)

首先計算路面溫度場，再采用Abaqus提供的順序熱力耦合分析方法進行溫度應力分析。瀝青面層材料SMA-13、AC-20以及AC-25采用廣義Maxwell黏彈性本構模型進行模擬，使用廣義Prony級數(shù)擬合，時溫等效原理采用Williams-Landel-Fer方程(WLF方程)擬合，其余結構層材料采用線彈性模型。

式中：T0為參考溫度，這里取20 ℃,C1和C2為試驗確定系數(shù)。

除了常規(guī)的力學參數(shù)外，材料線性膨脹系數(shù)尤為重要，各類材料熱力學參數(shù)如表3～6所示。另外，RCC、土工格柵、水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石、土基等幾種材料的線膨脹系數(shù)受溫度影響可忽略不計，該研究分別擬定為1.0、6.0、0.98、0.5、0.45(×10-5/℃)。

1.4 移動荷載模式

移動荷載通過Abaqus子程序DLOAD以及UTRACLOAD實現(xiàn)，荷載移動區(qū)域為圖2中結構表面4 m深色部分，沿X軸方向，采用標準BZZ-100單軸雙輪荷載，并將接地面積由當量圓簡化為面積相當?shù)木匦危鐖D3、4所示。接地壓力取為0.7 MPa，水平方向壓力取0.35 MPa。所有計算數(shù)據(jù)取自各結構層表面，溫度場及溫度應力取最大值，溫度荷載耦合取路面中間輪載中心處。

表3 路面結構材料力學參數(shù)

表5 黏彈性材料WLF方程參數(shù)

表4 黏彈性材料Prony級數(shù)

注：gi為材料剪切常數(shù)；τi為松弛時間；表3～5參數(shù)均基于20 ℃；瞬態(tài)模量：SMA-13:11 100 MPa；AC-20:14 500 MPa；AC-25：13 500 MPa。

表6 路面結構材料線膨脹系數(shù)

圖3 荷載接地面積轉換

圖4 單軸雙輪荷載(單位：cm)

2 溫度行為分析

2.1 溫度場分析

圖5為3種路面各結構層頂面的溫度在24 h中的變化情況。由圖5可知：半剛性基層、RCC基層和組合式基層3種路面結構的溫度場分布差別不大。在夏季高溫條件下，24 h內，路面結構內的溫度最大值由基層變化到上面層，再由上面層變化到基層。面層尤其是上面層溫度變化幅度最大，基層及以下結構層變化幅度較小，RCC切縫處并無明顯的溫度梯度變化。路面結構內的最低溫度出現(xiàn)在05：00時左右，日出之后結構內溫度明顯上升，最高溫度出現(xiàn)在14：00時左右，日落之后溫度緩慢下降。

2.2 溫度應力分析

圖6為3種路面各結構層頂面的溫度應力在24 h內的分布情況，溫度應力主要集中在基層及以上結構層。

圖5 不同路面結構溫度場分布

圖6 不同路面結構溫度應力分布

從圖6可看出：各結構層的溫度應力變化趨勢與大氣溫度變化密切相關。從0:00時到06:00時左右，由于大氣溫度不斷下降，面層承受較小的拉應力，06:00時以后氣溫快速上升，拉應力快速減小，壓應力迅速增大，并在13:00時左右達到最大值，隨后隨著大氣溫度降低，壓應力開始快速下降，并會呈現(xiàn)出拉應力增大的趨勢?；鶎优c面層的溫度應力變化規(guī)律大致相似，但是在19：00時左右基層頂面壓應力達到最大，其值是面層壓應力最大值的10～20倍，基層是溫度變化引起壓應力最明顯的路面結構層。

3種不同結構面層的溫度應力隨時間的變化情況大致相同，但是在基層表面，原路面半剛性基層結構(結構1)承受的壓應力明顯大于碾壓混凝土基層和組合式基層路面改造結構(結構2、3)，兩種改造結構較原結構的力學優(yōu)勢非常明顯，由于組合式基層路面下面層為20 cm ATB-25瀝青碎石過渡層，所以面層力學性能較好，基層頂面的壓應力較小。碾壓混凝土基層路面的RCC切縫處并無明顯的應力集中現(xiàn)象，不會影響RCC基層的承載能力，溫度應力最大值1 312 kPa出現(xiàn)在切縫靠路面中間處，最小值634.6 kPa出現(xiàn)在兩側路面邊緣處。

3 溫度與移動荷載耦合行為分析

選取14：00時研究典型溫度場與移動荷載共同作用，荷載移動速度20 m/s，移動區(qū)域長4 m，移動時間為0.2 s。計算點位于軸載中心，荷載移動到該點正上方時間為0.1 s。

3.1 瀝青層剪應力分析

圖7為移動荷載與溫度共同作用下3種路面結構下面層頂部的剪切應力隨荷載移動時間的變化趨勢。

圖7 不同路面下面層頂面剪切應力

由圖7可得：隨著荷載開始移動，剪應力非常小，幾乎等于0，當荷載移動到計算點附近時剪應力急劇增大，之后又急劇減小至0。原路面結構的下面層頂面剪應力最大值明顯大于結構2和3，其峰值達到1.296 MPa，分別是后兩者的1.85倍和1.63倍，后兩者差別不大。

剪應力主要集中在瀝青面層，最大值出現(xiàn)在中、下面層之間，是使路面產(chǎn)生剪切破壞的內因，在較高的溫度條件下，瀝青路面容易遭受剪切破壞，所以尤其在南方高溫多雨地區(qū)，設計路面結構時要盡可能控制剪應力，以免由于路面剪切破壞而降低路面的承載能力和使用性能。從抗剪切性能來看，結構2和3更優(yōu)。但結構2的切縫兩側尖端處容易有剪切應力集中造成剪切破壞，需提高切縫處抗剪能力，如在RCC板縫處設置抗剪鋼筋。

3.2 瀝青層底拉應變分析

圖8為移動荷載與溫度共同作用下3種路面結構瀝青層層底彎拉應變隨荷載移動時間的變化趨勢。

圖8 不同路面結構瀝青層底應變

從圖8可以看出：荷載距離計算點較遠時，瀝青層層底承受較小壓應變，當荷載靠近計算點時，瀝青層層底的壓應變越來越小，彎拉應變越來越大，在0.1 s時到達峰值，之后隨著荷載移動，彎拉應變快速減小。3種結構中結構1的彎拉應變峰值最大，結構2和3較小，從瀝青層層底的彎拉應變情況來看，結構2的力學性能最優(yōu)，承載能力最好，結構3次之，結構1最差。

3.3 土基頂面壓應變分析

圖9為移動荷載與溫度共同作用下3種路面結構土基頂部壓應變隨荷載移動時間的變化趨勢。

圖9 不同路面結構土基頂部應變

從圖9可以看出：隨著荷載移動，土基頂部壓應變逐漸增大，并在荷載到達計算點附近時達到最大值， 之后又逐漸減小。3種結構中結構1的土基頂部壓應變峰值最大，達到29.22×10-6，分別是結構2和3的2.5倍和1.6倍。從土基頂部壓應變情況來看，結構2力學性能最好，結構1最差，結構3居中。

4 損傷壽命預估

在路面結構的損傷分析中，基于Miner線性損傷模型，瀝青層層底拉應變和土基頂部壓應變分別用于疲勞開裂分析和永久變形分析。疲勞開裂的破壞極限用式(1)表示：

Nf=0.414(εt)-3.291(E)-0.854

(1)

式中：Nf為防止疲勞開裂的允許荷載重復作用次數(shù)；εt為瀝青層底部的拉應變；E為瀝青層的彈性模量。

永久變形的破壞極限用式(2)表示：

Nd=1.365×10-9(εc)-4.447

(2)

式中：Nd為限制永久變形允許通過的荷載重復作用次數(shù)；εc為土基頂部壓應變。

一年中路面的總損傷率用式(3)表示：

(3)

式中：Dr為路面一年內的總損傷率；p為時期數(shù)；m為荷載組數(shù)；ni,j為i時期荷載j的預期重復作用次數(shù)；Ni,j為i時期荷載j的允許重復作用次數(shù)。

根據(jù)依托工程現(xiàn)場統(tǒng)計的交通量，計算得到路面模型一年的荷載重復次數(shù)為7 830 345次,一年末總損傷率的倒數(shù)即為路面的預期壽命。3種路面結構的損傷分析結果如表7所示。

表7 損傷分析結果

注：表中帶方框的數(shù)據(jù)為各方案對應的由控制損傷模式所決定的壽命，即設計計算壽命。

瀝青層層底的拉應變越大，疲勞開裂損傷越大，疲勞壽命越?。煌粱敳康膲簯冊酱?，永久變形損傷越大，永久變形壽命越小。所以，在瀝青路面結構的設計施工尤其是改造提質過程中，要嚴格控制瀝青層層底的彎拉應變和土基頂部的壓應變，以免由于產(chǎn)生疲勞開裂破壞或者永久變形破壞而影響路面的正常使用。從表7可得，從路面疲勞開裂和永久變形情況來看，結構2力學性能最好，使用壽命最長。

5 結論

(1) 3種結構的路面溫度場分布大致相同；隨著大氣溫度的變化，面層尤其是上面層溫度變化幅度最大，基層及以下結構層變化幅度較小；各結構層的溫度變化梯度大小對溫度應力有較大影響。

(2) 3種結構的溫度應力變化情況大致類似；溫度應力主要集中在基層及以上結構層，且基層承受較大的由溫度變化引起的壓應力。面層在日出前以及日落后氣溫較低時，承受較小的拉應力，氣溫升高時，壓應力逐漸增大。

(3) 瀝青下面層頂面剪應力、瀝青層層底彎拉應變以及土基頂部壓應變指標均在荷載移動過程中先增大后減小，荷載移動到計算點正上方時達到最大值。

(4) 在結構2中，RCC基層切縫處易出現(xiàn)剪切應力應變集中造成基層剪切破壞，可在切縫之間設置抗剪鋼筋以提高基層切縫處抗剪能力。

(5) 綜合各結構的力學響應以及損傷壽命預估，結構2即碾壓混凝土(RCC)基層瀝青路面最優(yōu)，結構3即組合式基層瀝青路面次之。為保證依托工程路面改造方案能適應特重交通荷載要求，推薦使用結構2。