郭芳，付宏淵，邵臘庚

?

基于環(huán)境溫度變化的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析

郭芳1, 2, 3，付宏淵3，邵臘庚4

(1. 長沙理工大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410004；2. 湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋工程學(xué)院，湖南長沙，410132；3. 長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙，410004；4. 長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙，410004)

為了分析環(huán)境溫度變化時(shí)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷特性，擬定3種混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，充分考慮廣西河池地區(qū)各月溫度變化以及土基回彈模量的季節(jié)性變化，運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)2種層間結(jié)合狀態(tài)的4種路面結(jié)構(gòu)方案的溫度場、應(yīng)變響應(yīng)和疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算分析，通過試驗(yàn)路面溫度傳感器、應(yīng)變片的監(jiān)測結(jié)果和疲勞損傷模擬模型計(jì)算瀝青層的疲勞損傷。研究結(jié)果表明：在不同月份溫度下，瀝青路面應(yīng)變響應(yīng)差異大，隨著氣溫升高，層底彎拉應(yīng)變增大；各季節(jié)疲勞損傷存在明顯差異，高溫季節(jié)產(chǎn)生的疲勞損傷所占比例較大；以水穩(wěn)碎石為底基層，級(jí)配碎石為基層及大粒徑瀝青碎石混合料作下面層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案B，溫度敏感性最小，疲勞損傷最小。研究結(jié)果可為選擇良好的混合式基層路面結(jié)構(gòu)提供思路。

瀝青路面；混合式基層；溫度；疲勞損傷；ABAQUS軟件

瀝青與瀝青混合料是感溫性材料，其勁度特性具有強(qiáng)烈的溫度依賴性，從而使瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)和使用性能都與路面溫度狀況密切相關(guān)[1]。目前，我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范并未明確將溫度作為1個(gè)必須考慮的影響因素[2]。由于溫度變化、極端氣候等引起的路面損壞現(xiàn)象越來越普遍，人們也充分意識(shí)到路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)忽略溫度因素所帶來的嚴(yán)重后果。國內(nèi)的道路工作者對(duì)此開展了大量的研究工作，并取得了許多研究成果[3?7]。但許多路面溫度場的研究工作局限于環(huán)境因素對(duì)路面溫度場的影響，局限于結(jié)構(gòu)層的模量與厚度的影響分析，并且局限于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。半剛性基層瀝青路面有許多優(yōu)點(diǎn)[8]，但也有一些缺點(diǎn)，如：半剛性基層容易產(chǎn)生干縮或溫縮開裂，引起面層反射裂縫；半剛性基層材料致密，是一種“水敏感”和“水加速損壞”型基層，易導(dǎo)致路面發(fā)生結(jié)構(gòu)性水損壞；半剛性基層剛度過大，使得瀝青面層承受更大的應(yīng)力狀態(tài)并產(chǎn)生車轍破壞。本文作者提出混合式基層瀝青路面的3種結(jié)構(gòu)形式，充分考慮廣西河池當(dāng)?shù)販囟群屯粱鶑?qiáng)度等因素，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)各種結(jié)構(gòu)方案的溫度場及力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)疲勞損傷進(jìn)行分析。通過直道試驗(yàn)路段的鋪筑，進(jìn)一步驗(yàn)證疲勞損傷性能，以便為選擇良好的混合式基層路面結(jié)構(gòu)提供思路和方案。

1 路面結(jié)構(gòu)方案

共考慮4種瀝青路面結(jié)構(gòu)類型：一種是廣西河 池—都安高速公路的原路面結(jié)構(gòu)，即典型的半剛性基層瀝青路面，其余3種為混合式基層瀝青路面。路面結(jié)構(gòu)總厚度均為92 cm，路面結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

(a) 方案A；(b) 方案B；(c) 方案C；(d) 原方案

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

利用ABAQUS有限元軟件建立三維模型，模型長×寬×高選為10 m×10 m×5 m，如圖2所示。選用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體應(yīng)力單元(C3D8R)進(jìn)行熱應(yīng)力分析[9]，同時(shí)對(duì)荷載作用區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。邊界條件設(shè)定4個(gè)面為豎直自由移動(dòng)、垂直面的方向固定；下邊界為三向固定；上邊界為三向自由。車輛荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ?100，作用在瀝青路面上表面中央，等面積分為對(duì)稱2塊，接地作用長×寬為21.4 cm×16.2 cm。

圖2 有限元模型圖

2.2 層間接觸狀態(tài)

路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)考慮2種情況：一種為完全連續(xù)狀態(tài)(以下稱層間狀態(tài)Ⅰ)，假定路面各層之間完全連續(xù)；一種為更接近實(shí)際的接觸狀態(tài)(以下稱層間狀態(tài)Ⅱ)。層間狀態(tài)二假定瀝青面層與水穩(wěn)基層之間、水穩(wěn)基層與水穩(wěn)底基層之間、級(jí)配碎石基層與水穩(wěn)底基層之間是具有層間接觸特性的不完全連續(xù)體，層間接觸摩擦因數(shù)取0.6，其余層間為完全連續(xù)。

垂直于接觸面的相互作用在傳遞接觸壓力時(shí)不會(huì)隨層間接觸狀態(tài)的變化而變化，而沿接觸面切向的相互作用遵循庫侖摩擦模型行為[10]，即

2.3 不同月份的溫度路面材料參數(shù)確定

搜集河池地區(qū)的月平均氣溫資料、輻射、風(fēng)速等氣象資料，確定路面主要材料計(jì)算參數(shù)，如表1所示。各瀝青層的回彈模量采用MTS的試驗(yàn)成果并進(jìn)行曲線擬合，分別以12個(gè)月的月平均氣溫作為代表氣溫，并得到各結(jié)構(gòu)層在該溫度下對(duì)應(yīng)的回彈模量，如表2 所示。我國規(guī)范規(guī)定采用不利季節(jié)的土基回彈模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)土基模量恒定不變，這與實(shí)際情況不符，國外的許多瀝青路面設(shè)計(jì)方法已經(jīng)考慮到土基回彈模量的季節(jié)性變化。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[11]，在同一季節(jié)測得的土基回彈模量較接近，為了簡化設(shè)計(jì)和計(jì)算，這里將1 a分為4個(gè)季節(jié)，各個(gè)季節(jié)的代表模量為代表月份模量的平均值。此處土基回彈模量按季節(jié)取值，季節(jié)土基回彈模量取值如表3所示。其他各層材料參數(shù)不考慮隨溫度的變化。

表1 主要計(jì)算參數(shù)

表2 回彈模量與溫度的關(guān)系

表3 土基回彈模量

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 溫度場的計(jì)算

通過計(jì)算可得廣西河池各月平均氣溫及路面瀝青層溫度場的年變化曲線，如圖3所示。從圖3可見：在瀝青層內(nèi)，不同路面類型之間溫度變化幅度相差很小，但瀝青路面溫度隨月份的變化明顯；道路結(jié)構(gòu)溫度隨著深度的增加而逐漸降低，7月份河池地區(qū)平均氣溫為 28.1 ℃，而路表面溫度為38.5 ℃，兩者相差 10.4 ℃；隨著深度增加，在深度為 2，4，7，10，15，20和24 cm處，道路溫度也隨之降低，但下降幅度不大；隨著深度繼續(xù)增加，道路溫度繼續(xù)降低，但降低到一定值時(shí)不會(huì)變化。在低溫季節(jié)，河池地區(qū) 1 月份的平均氣溫為10.9 ℃，此時(shí)路表溫度為15.4 ℃，比平均氣溫高；隨著深度進(jìn)一步增加，溫度逐漸降低，至深度20 cm處，溫度降至12.4 ℃。

深度h/cm：1—平均氣溫；2—0；3—2；4—4；5—7；6—10；7—15；8—20；9—24

3.2 瀝青層的最大拉應(yīng)變

瀝青路面由于疲勞破壞產(chǎn)生的裂縫產(chǎn)生在與瀝青混合料最大拉應(yīng)變垂直的面上，與三相應(yīng)力相關(guān)的最大拉應(yīng)變比單一的拉應(yīng)力更能反映瀝青混合料的受力狀況[12?13]。通過計(jì)算，半剛性層的彎拉應(yīng)變較小，此處主要考慮瀝青層在2種層間結(jié)合狀態(tài)下的最大拉應(yīng)變，分別如圖4和圖5所示。

1—方案A；2—方案B

1—原方案；2—方案A；3—方案B；4—方案C

從圖4和圖5可知：當(dāng)層間完全連續(xù)時(shí)，原方案和方案C處于完全受壓狀態(tài)，即使在氣溫最低的1月份也沒出現(xiàn)拉應(yīng)變，方案A和方案B在瀝青層層底出現(xiàn)了最大拉應(yīng)變，且方案A的最大拉應(yīng)變比方案B的大；當(dāng)層間不完全連續(xù)時(shí)，4個(gè)方案均在瀝青層底部均出現(xiàn)了最大拉應(yīng)變；層間的不完全連續(xù)狀態(tài)使得4類瀝青路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)變水平驟增；隨路面溫度提高，瀝青層的最大拉應(yīng)變增加；在不同月份溫度下，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)變的變化幅度不同，各方案按變化幅度極差從大到小排列，依次為原方案、方案C、方案A和方案B。

3.3 疲勞累積損傷計(jì)算

以瀝青層層底拉應(yīng)變作為控制瀝青路面疲勞開裂的指標(biāo)，并選擇美國瀝青學(xué)會(huì)(AI)設(shè)計(jì)方法中產(chǎn)生疲勞開裂的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)f與瀝青層底部拉應(yīng)變t的關(guān)系[14]進(jìn)行計(jì)算。

其中：1為瀝青層的回彈模量。

選取層間不完全連續(xù)的情況計(jì)算，根據(jù)P?M線性累積損傷準(zhǔn)則，假設(shè)交通量按月均布，取設(shè)計(jì)年限為15 a，則設(shè)計(jì)年限內(nèi)累積疲勞損傷為

表4 瀝青層累計(jì)疲勞損傷

圖6 瀝青層疲勞損傷隨季節(jié)變化規(guī)律

從表4可以看出：瀝青層的疲勞損傷總和從大至小的方案為原方案、方案A、方案C和方案B。各月產(chǎn)生的疲勞損傷率不同，高溫季節(jié)疲勞損傷所占比例大，疲勞損傷由大至小的月份依次是6~8月份、3~5月份、9~11月份、12月份~第2年2月份。溫度的月變化、土基模量季節(jié)性變化對(duì)瀝青層的疲勞損傷有較大的影響，若按現(xiàn)行規(guī)范取單一溫度和土基模量，在抵抗疲勞開裂上是偏于不安全的。

4 試驗(yàn)路的驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)路方案

試驗(yàn)采用長沙理工大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的直道試驗(yàn)系統(tǒng)，利用直線式加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)在直道試槽模擬汽車行駛，試槽寬度為3.2 ｍ，試槽深度為2.2 ｍ，路面距槽頂0.3 ｍ，土基與路面總厚度為1.9 ｍ。在4種路面結(jié)構(gòu)的各瀝青層層底均安裝應(yīng)變片，用于觀測在環(huán)境溫度變化和行車荷載作用下瀝青層的應(yīng)變響應(yīng)，并且在瀝青層各層中間位置安裝溫度傳感器，用于跟蹤觀測不同深度處的溫度。溫度傳感器及應(yīng)變測點(diǎn)的位置如圖7所示。

圖7 直道試驗(yàn)路方案示意圖

4.2 瀝青層層底拉應(yīng)變

在加載過程中，瀝青層的彈性模量隨溫度變化而變化，瀝青層層底的拉應(yīng)變也會(huì)發(fā)生變化。為了得到溫度對(duì)試驗(yàn)路的瀝青層層底拉應(yīng)變的影響，在加載到3萬次時(shí)，選擇連續(xù)1 d共24 h觀測，每0.5 h記錄瀝青層溫度與瀝青層層底的動(dòng)應(yīng)變。通過觀測，層底縱向最大拉應(yīng)變明顯大于橫向最大拉應(yīng)變，回歸得到4種路面結(jié)構(gòu)方案的瀝青層層底縱向最大拉應(yīng)變和瀝青層溫度的關(guān)系如圖 8所示，回歸結(jié)果如表5所示。

1—方案A；2—方案B；3—方案C；4—原方案

表5 瀝青層層底應(yīng)變隨溫度變化回歸結(jié)果

從圖8可以看出：隨著路面溫度的升高，瀝青層底拉應(yīng)變增大，各結(jié)構(gòu)瀝青層底對(duì)溫度的敏感性不同；各方案中，瀝青層底縱向拉應(yīng)變對(duì)溫度的敏感性由大至小為原結(jié)構(gòu)、方案C、方案A和方案B，與力學(xué)分析結(jié)果一致。

4.3 試驗(yàn)路面疲勞損傷

為了加速疲勞開裂，本次直道試驗(yàn)分階段分別采用輪重5 t(軸載100 kN)，6 t(軸載120 kN)，7 t(軸載140 kN)和9 t(軸載180 kN)加載，對(duì)彎沉、應(yīng)變等指標(biāo)進(jìn)行記錄和分析。試驗(yàn)路共采用645 000次重復(fù)荷載。對(duì)于出現(xiàn)橫向疲勞裂縫的荷載作用次數(shù)，原方案為569 000次，方案A為603 000次，方案B為645 000次，方案C為583 000次。在加速加載過程中，荷載作用次數(shù)按照周期單元和溫度區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到在不同周期單元不同溫度區(qū)間的車輪荷載對(duì)瀝青路面的作用次數(shù)。根據(jù)Miner損傷原理，各結(jié)構(gòu)方案在溫度和荷載綜合作用下所引起的損傷[15]。

式中：為周期單元，在試驗(yàn)路面總共停機(jī)20次，用于采集數(shù)據(jù)，相當(dāng)于劃分為20個(gè)周期單元，即=20；為溫度區(qū)間，本次直道加速加載試驗(yàn)中溫度范圍為 15~30 ℃，以1 ℃為區(qū)間，劃分為 16 個(gè)溫度區(qū)間，分別為[14.5，15.5)，[15.5，16.5)，…，[28.5，29.5)，[29.5，30.5] ℃，即=16；為第個(gè)周期單元第個(gè)路面溫度區(qū)間下試驗(yàn)路荷載的標(biāo)準(zhǔn)作用次數(shù)；為試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)在第個(gè)周期單元第個(gè)路面溫度區(qū)間下標(biāo)準(zhǔn)荷載作用時(shí)的疲勞作用次數(shù)，通過式(2) 確定。

通過計(jì)算，結(jié)構(gòu)的疲勞損傷由大至小的方案為原方案、方案C、方案A和方案B。力學(xué)分析和試驗(yàn)路面結(jié)果表明：混合式基層方案B具有較好的溫度敏感性和抗疲勞性能，方案B在瀝青混凝土面層與級(jí)配碎石基層之間設(shè)置了瀝青穩(wěn)定碎石層，減少了層間的模量比，降低了面層層底拉應(yīng)力，且瀝青層總厚度增加，有利于延緩反射裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

1) 對(duì)于半剛性基層瀝青路面，若按現(xiàn)行規(guī)范假定各結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)，則瀝青層底受壓。但若考慮環(huán)境溫度變化及更符合實(shí)際情況的層間接觸情況，則瀝青層將出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2) 路面溫度場隨月份的變化明顯，在不同溫度下瀝青路面應(yīng)變響應(yīng)差異明顯；隨著路面溫度提高，瀝青層的最大拉應(yīng)變增加。

3) 試驗(yàn)路各結(jié)構(gòu)方案對(duì)溫度的敏感性由大至小為原方案、方案C、方案A和方案B，與力學(xué)計(jì)算分析結(jié)果一致。

4) 在路面設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度變化的影響，各季節(jié)疲勞損傷存在明顯差異，高溫季節(jié)所占比例較大。

5) 對(duì)基于環(huán)境溫度變化的瀝青路面疲勞損傷總和，從大至小的方案依次為原方案、方案A、方案C和方案B。在這4種方案中，混合式基層瀝青路面方案B對(duì)溫度敏感性小，疲勞損傷最小。

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Fatigue damage analysis of composite base asphalt pavement structure based on change of ambient temperature

GUO Fang1, 2, 3, FU Hongyuan3, SHAO Lageng4

(1. Key Laboratory of Road Structure and Material of Ministry of Transport, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China;2. Institute of Road and Bridge Engineering, Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132, China; 3. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China; 4. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

In order to analyze the fatigue characteristics of composite base asphalt pavement structure under the change of ambient temperature, the impact of Hechi temperatures of each month in Guangxi and seasonal variations of subgrade resilient modulus were considered, and three kinds of asphalt pavement structures on composite base were put forward. With ABAQUS software, two states between layers were considered, and the temperature field, strain response and the cumulative fatigue damage of four pavement structures were calculated and analyzed. By monitoring results of temperature sensors and strain gauges with straight road tests, simulation models were used to calculate fatigue damage of asphalt layer. The results indicate that the strain response with different temperature fields in each month in asphalt pavement is varied. When the temperature increases, the tensile strain at the bottom of asphalt layer increases. The fatigue damage in different seasons is varied and has high proportion in high temperature season. Based on the ambient temperature change considerations, the temperature sensitivity of scheme B is the smallest (scheme B means composite base asphalt pavement which is made of cement stabilized, graded gravel for the base layer and large size asphalt macadam mixture layer), and its fatigue damage is the minimum. The research results can provide reference for choosing good pavement structure on composite base.

asphalt pavement; composite base; temperature; fatigue damage; ABAQUS software

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.040

U416.217

A

1672?7207(2015)05?1869?07

2014?06?10；

2014?08?12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278067)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(14C0409)；長沙理工大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(kfj120203) (Project(51278067) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(14C0409) supported by Education Department of Hunan Province; Project(kfj120203) supported by Traffic Road Structure and Material Key Laboratory Open Fund of Changsha University of Science and Technology)

郭芳，博士研究生，講師，從事路基路面工程研究；E-mail: guofang717@126.com

(編輯 陳燦華)