曾浩　梁春雨　張桂博　黃慧

作者簡(jiǎn)介：曾 浩（2001—），碩士研究生，研究方向：道路與鐵道工程;

梁春雨（1974—），教授，研究方向：道路與鐵道工程;

張桂博（1988—），工程師，研究方向：公路工程;

黃 慧（1984—），高級(jí)工程師，研究方向：公路工程。

摘要：考慮季凍區(qū)公路水泥穩(wěn)定碎石基層疲勞性能的影響因素，文章以Ansys軟件的Workbench和ncode模塊為分析工具，基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)兩種級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石標(biāo)準(zhǔn)中梁進(jìn)行凍融循環(huán)和疲勞試驗(yàn)?zāi)M，通過瞬態(tài)熱應(yīng)力分析得出了荷載應(yīng)力比和集料級(jí)配對(duì)水泥穩(wěn)定碎石凍融疲勞性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：凍融會(huì)降低水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能;水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配中細(xì)集料含量過多，會(huì)降低材料的抗凍性能;應(yīng)力比為0.65時(shí)凍融試件的疲勞損傷百分率會(huì)顯著增大。這說明季凍區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞性能要綜合考慮應(yīng)力比和凍融條件的影響。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石;有限元分析;疲勞性能;凍融循環(huán)

中國(guó)分類號(hào)：U416.214

0 引言

路面基層作為道路結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，其性能的好壞對(duì)路面有很大影響。以水泥穩(wěn)定碎石為鋪筑材料的基層由于早期強(qiáng)度高、板體性好等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)應(yīng)用廣泛。但是在季節(jié)性冰凍地區(qū)，荷載作用和溫濕度變化對(duì)基層的破壞較大，因此研究水泥穩(wěn)定碎石基層在凍融條件下的疲勞特性影響規(guī)律極其重要[1-3]。

對(duì)半剛性基層水泥穩(wěn)定碎石混合料抗凍性和疲勞性的研究，國(guó)內(nèi)外已取得不少成果，主要集中在凍融或荷載單獨(dú)作用下對(duì)材料疲勞性的影響，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料在凍融和荷載共同作用條件下的疲勞模擬研究相對(duì)較少[4-6]。一些已建工程由于在設(shè)計(jì)之初對(duì)這方面的要求考慮不足，導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)較多的凍融疲勞損傷開裂，降低了使用壽命。實(shí)際上水泥穩(wěn)定碎石混合料在反復(fù)循環(huán)的凍融與外加應(yīng)力的共同作用下與二者單獨(dú)作用時(shí)的使用性能差異極大[7-9]。

本文采用國(guó)內(nèi)外常用的小梁疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，該方法在施加不同應(yīng)力和應(yīng)力比的條件下測(cè)定對(duì)應(yīng)的疲勞壽命，用S-N曲線來反映材料的疲勞性能，通過Ansys軟件模擬在凍融條件下耦合荷載應(yīng)力情況，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞性能進(jìn)行研究。

1.1 原材料

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用并結(jié)合本課題研究?jī)?nèi)容，水泥選用42.5#普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。各性能指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

集料為玄武巖，分別為20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四檔。以粒徑4.75 mm劃分粗集料和細(xì)集料。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20-2015）的要求。

研究級(jí)配為級(jí)配1和級(jí)配2，分別為粗集料斷級(jí)配和骨架密實(shí)級(jí)配。兩個(gè)級(jí)配都是以粗集料形成骨架，但級(jí)配1比級(jí)配2的細(xì)集料（4.75 mm以下）多，其關(guān)鍵篩孔通過率如表3所示。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度測(cè)定

通過擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得兩種級(jí)配的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

2 軟件和試驗(yàn)方法

Ansys是一款功能模塊多、計(jì)算精度高的有限元分析軟件。本次試驗(yàn)使用Workbench模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析，使用ncode模塊進(jìn)行疲勞性能分析。Workbench平臺(tái)集成了Ansys的大多數(shù)求解功能，求解流程如圖1所示。

ncode模塊也集成在Workbench平臺(tái)中，通過讀取Workbench的計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行疲勞分析。求解流程如圖2所示。

3 模擬試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)?zāi)M樣本選擇了兩組不同級(jí)配的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石標(biāo)準(zhǔn)中梁成型兩組試件（試件1、試件2），標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015），無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)技術(shù)要求基層所需水泥劑量確定為5%，具體級(jí)配情況如表3所示。利用Ansys軟件，建立模擬試件模型如圖3所示。模型單元采用Soild 45單元，尺寸大小為規(guī)范要求，試件參數(shù)分別參考了實(shí)際試驗(yàn)室數(shù)據(jù)，如表4所示。

（1）模擬試件在室溫20 ℃下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三分點(diǎn)加載試驗(yàn)，由試件的彎拉強(qiáng)度確定施加荷載水平。對(duì)兩個(gè)級(jí)配的標(biāo)準(zhǔn)中梁試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采取3個(gè)應(yīng)力比進(jìn)行分析，分別為0.6、0.65、0.7，得到試件的應(yīng)力應(yīng)變情況。通過施加Havesine波動(dòng)態(tài)周期性荷載進(jìn)行疲勞性能分析，得出兩種級(jí)配試件的疲勞壽命。

（2）采用瞬態(tài)熱分析的方法，模擬試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。具體步驟參照規(guī)范《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）中的無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料凍融試驗(yàn)方法（T 0858-009），其溫度控制曲線如圖4所示。

（3）重復(fù)五次凍融循環(huán)，把凍融后的試件按與標(biāo)準(zhǔn)試件相同的條件進(jìn)行疲勞加載，獲得試件在凍融后相同荷載下的疲勞壽命和損傷云圖情況。

4 模擬結(jié)果分析

在不同級(jí)配、不同應(yīng)力比情況下，試件的疲勞壽命和疲勞損傷百分率（凍融后減少的疲勞壽命與凍融前疲勞壽命的比值）如表5所示。

（1）由表5可知，相同應(yīng)力比下，試件1的疲勞損傷百分率更大。經(jīng)過分析，造成這一現(xiàn)象的原因是由于級(jí)配1細(xì)集料含量較多，試件內(nèi)結(jié)合水的含量更大，使水凝固成冰的凍脹現(xiàn)象更加明顯，應(yīng)力更大，隨著凍融循環(huán)的增加，試件強(qiáng)度損失也就更大，因此抗凍能力更差。

同時(shí)，在不同應(yīng)力比條件下，試件1和試件2的變化趨勢(shì)相似，隨著應(yīng)力比的增大，疲勞損傷百分率逐漸增大。

（2）應(yīng)力比從0.6增加到0.65時(shí)，兩種級(jí)配試件的損傷百分率增加了近20%，說明在凍融條件下應(yīng)力比對(duì)試件的疲勞壽命影響較大。

而應(yīng)力比從0.65增加到0.7時(shí)，兩種級(jí)配試件的損傷百分率增加了約6%～7%，可見在應(yīng)力比達(dá)到一定程度后，對(duì)疲勞壽命起主要作用的因素是凍融條件。

圖5～8分別是試件1應(yīng)力比為0.6和0.65時(shí)凍融前后試件疲勞損傷云圖。觀察可知，應(yīng)力比為0.6時(shí)斜損傷區(qū)域未延伸連接，應(yīng)力比為0.65時(shí)斜損傷區(qū)域已經(jīng)形成角度約為45°的損傷帶，損傷帶的形成使得材料結(jié)構(gòu)組成發(fā)生了變化，試件在荷載的重復(fù)作用下更容易擴(kuò)散裂縫，從而使疲勞性能下降，這也是導(dǎo)致?lián)p傷百分率驟增的原因。

5 結(jié)語

本研究通過對(duì)兩種級(jí)配的水泥穩(wěn)定碎石混合料在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的疲勞性能進(jìn)行有限元模擬，得出以下結(jié)論：

（1）凍融循環(huán)會(huì)不同程度地改變水泥穩(wěn)定碎石材料的彈性模量，試件極限抗拉強(qiáng)度會(huì)下降，在經(jīng)歷荷載作用后，會(huì)導(dǎo)致凍融損傷進(jìn)一步疊加，從而使得試件疲勞壽命下降。

（2）水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配中的細(xì)集料含量過多，會(huì)降低材料的抗凍性能。由模擬結(jié)果可知，級(jí)配2疲勞損傷百分率較小，更適合在季凍區(qū)使用。

（3）凍融條件下應(yīng)力比對(duì)試件的疲勞壽命影響較大，但在應(yīng)力比達(dá)到一定程度后，對(duì)疲勞壽命起主要作用的因素是凍融條件。因此季凍區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層的疲勞特性要綜合考慮應(yīng)力比和凍融條件的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱文強(qiáng).凍融條件下水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能變化規(guī)律試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]田宇翔，馬骉，王大龍，等.凍融循環(huán)作用下水泥穩(wěn)定碎石抗凍特性[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，37（4）：84-91.

[3]吳瑞麟，張良陳，韓 卓，等.水泥穩(wěn)定碎石基層長(zhǎng)期浸水及凍融試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（10）：113-115.

[4]王一琪，譚憶秋，王興隆.水泥穩(wěn)定碎石凍融損傷疲勞特性研究[J].公路，2017，62（4）：239-242.

[5]張晗冰.長(zhǎng)期凍融作用下水泥穩(wěn)定碎石基床力學(xué)性能演化試驗(yàn)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2018.

[6]王 艷，倪富健，李再新.水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2009，9（4）：10-14.

[7]楊春玲，鐵明亮.水泥穩(wěn)定碎石疲勞性能影響因素研究[J].中外公路，2016，36（2）：299-302.

[8]韓 丁，黃曉明.水泥穩(wěn)定碎石疲勞的破壞力學(xué)分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（3）：78-82.

[9]梁春雨，郭有蒙，張利東，等.季凍區(qū)多指標(biāo)水泥穩(wěn)定碎石性能評(píng)價(jià)及級(jí)配優(yōu)選[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2020，50（3）：998-1 005.