李煒光，連 城，陳金章，湯 豆，梁 鵬(.長安大學 公路學院，陜西 西安 7006； .長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 7006；.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 70075； .廣東省江門市國土規(guī)劃和環(huán)境保護局，廣東 江門 5900 )

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瀝青道面坑槽修補界面力學行為分析

李煒光1，連 城2，陳金章3，湯 豆4，梁 鵬1
(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064；3.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075； 4.廣東省江門市國土規(guī)劃和環(huán)境保護局，廣東 江門 529040 )

針對瀝青道面坑槽修補后耐久性差及界面、角隅處很快出現(xiàn)二次破壞等問題，借助ABAQUS有限元軟件，建立瀝青道面坑槽修補三維有限元模型確定最不利荷位；然后從修補深度、水平荷載系數(shù)及軸載等角度對修補后的瀝青道面坑槽界面處的正應力及剪應力進行分析。結(jié)果表明：坑槽角隅處為最不利荷位；修補深度越小，坑槽板塊越容易發(fā)生擠壓破壞；隨著水平載荷的增加，界面處合成剪應力急劇增加，尤其是在緊急制動時，其合成剪應力將增加1.2倍以上；軸載大小與界面應力呈線性相關，輪壓每增加0.1 MPa，界面壓應力增大14.3%，合成剪應力增大20.2%。

瀝青路面；坑槽；二次破壞；界面

0 引 言

隨著交通量的快速增長及重載車輛的不斷增多，瀝青道面在環(huán)境和重載的耦合作用下很快會出現(xiàn)一些損壞，車輛荷載繼續(xù)作用會使其逐漸形成坑槽。尤其是雨天過后，水分及車輛動荷載的共同作用，使坑槽在深度及廣度方面迅速發(fā)展，對道面使用性能及通行能力產(chǎn)生巨大影響[1]。為了恢復道面的使用性能，通常采用修補料對坑槽進行修補，但是在進行坑槽修補時，很少關注其受力性能，導致道面很快出現(xiàn)二次破壞。大多數(shù)二次破壞發(fā)生在坑槽與原有道面的界面處，即界面處結(jié)合的優(yōu)劣程度是影響瀝青道面及其坑槽修補后使用效果和使用壽命的關鍵因素之一，若界面處結(jié)合不好，就會削弱坑槽與原有道面的整體性，降低道面結(jié)構的整體抗力，在車輛加速、減速或制動時，極易發(fā)生剪切和擠壓疲勞破壞。為了使坑槽修補后的道面具有良好的結(jié)構承載力及耐久性，應加強對坑槽界面處處治技術的研究[2]。但是，目前對于坑槽界面的處理尚缺乏成熟的力學理論依據(jù)?；诖耍疚牟捎糜邢拊浖嗀BAQUS，以半剛性基層瀝青道面為研究對象，將材料、力學參數(shù)引入到結(jié)構模型中，研究修補深度、超載及水平荷載對瀝青道面坑槽界面處力學響應的影響，為坑槽修補區(qū)域的耐久性研究提供力學基礎。

1 瀝青道面坑槽修補三維有限元模型

1.1 道面結(jié)構與材料參數(shù)

本文的主要目的是分析瀝青道面經(jīng)修補后坑槽界面處的力學響應，所以選定通用的典型道面結(jié)構進行三維有限元分析。假定道面各層材料均為線彈性，主要采用彈性模量E和泊松比μ來表征其力學性質(zhì)，道面結(jié)構形式與材料參數(shù)如表1所示。本文選取的修補材料參數(shù)為E=5 000 MPa，μ=0.25。

表1 道面結(jié)構及材料參數(shù)

1.2 模型幾何尺寸及荷載布設

在進行道面結(jié)構有限元分析計算之前，首先要確定其模型及幾何尺寸。本文所采用的道面模型尺寸為4 m×3 m×4 m(x×y×z)，其中x為道面橫向，y為道面深度方向，z為汽車行車方向。在進行模型處理的過程中，模型所設的邊界條件為：沿行車方向兩側(cè)無z向位移，垂直于行車方向兩側(cè)無x向位移，沿路基一定深度的底面為固定面，各結(jié)構層層間處于完全連續(xù)接觸狀態(tài)[3]。

汽車行駛在道面上時，其輪載是通過輪胎胎面?zhèn)鬟f到道面表層的，因此對輪胎與道面表層間的接觸形式以及接觸面上載荷的分布形式進行準確設定，是精確分析道面結(jié)構力學響應的關鍵。在以往的道面結(jié)構力學計算中，輪載分布形式通常被簡化為雙圓垂直均布荷載；而實際上輪胎與道面間的相互作用是十分復雜的，其接觸面的輪廓隨著輪載的不斷增加愈發(fā)接近矩形。因此，本文將其接觸面簡化為雙矩形垂直均布荷載，即將車輪荷載簡化為分布于19.2 cm×18.6 cm的雙矩形面積上的均布荷載，矩形中心距為31.4 cm。由于在實際坑槽修補過程中要對坑槽底部及側(cè)面涂抹界面劑來保證其與原有路面的整體性，所以在進行相互作用模擬時，接觸屬性設為tie?？硬圩鳛楸疚姆治鲅芯康闹黧w，其模型尺寸為1 m×0.15 m×1 m(x×y×z)，坑槽三維模型如圖1所示。

圖1 坑槽三維模型

采用有限元軟件ABAQUS進行分析計算時，單元網(wǎng)格的劃分尺寸及形式對計算結(jié)果有非常大的影響，本文充分考慮了道面結(jié)構的受力特性，同時兼顧節(jié)省計算時間，最終采用了非均勻的網(wǎng)格劃分形式，從土基到面層及從側(cè)面到坑槽中心的網(wǎng)格劃分逐漸變密。單元采用C3D8R(三維八節(jié)點減縮積分單元)，網(wǎng)格劃分模型如圖2所示[4]。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2 計算結(jié)果及分析

2.1 最不利荷位判斷

最不利荷位是指坑槽修補面中最容易發(fā)生破壞的位置。本文探究了不同荷位下坑槽界面的正應力和剪應力，以此確定最不利荷位。正常行駛的車輛不可能每次都作用在坑槽中心處，為了更好地模擬車輛荷載對瀝青道面坑槽的作用，分別分析了6種輪載作用位置：工況1(荷載作用在坑槽中心)、工況2(荷載作用在坑槽縱向界面內(nèi)側(cè)中心)、工況3(荷載輪隙中心與坑槽縱向界面中心重合)、工況4(荷載作用在坑槽縱向界面外側(cè)中心)、工況5(荷載作用在坑槽橫向界面內(nèi)側(cè)中心)和工況6(荷載作用在坑槽角隅)，如圖3所示[5]。

圖3 不同工況下荷載作用位置

首先，對坑槽界面正應力σx進行分析。其中，對工況1～4分別分析坑槽縱向界面正應力σx，對工況5分析坑槽橫向界面正應力σz，對工況6分別分析坑槽縱向界面正應力σx和橫向界面正應力σz。分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況下坑槽界面正應力 kPa

從表2可以看出，工況2、4、5、6均產(chǎn)生了較大的壓應力，最大壓應力出現(xiàn)在工況6，且工況6在縱橫界面處均產(chǎn)生較大壓應力。所以，從正應力角度來看，工況6較其他工況在界面處更容易發(fā)生擠壓破壞。

其次，對坑槽界面剪應力進行分析。對工況1～4分別分析坑槽縱向界面剪應力τxy、τxz；對工況5分析坑槽橫向界面剪應力τzx、τzy；對工況6分別分析坑槽縱向界面處剪應力τxy、τxz和橫向界面處剪應力τzx、τyz，其中τxz和τzx相等。分析結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，縱向及橫向界面剪應力τxz較小，最大為工況4和工況6，大小為80 kPa。對縱向界面剪應力τxy在各種工況下的大小進行對比發(fā)現(xiàn)，工況2、4、6有較大剪應力，其中工況4最大為196.4 kPa，工況6為181.15 kPa。橫向界面剪應力τzy在工況6下最大，大小為170.2 kPa。綜合考慮后，其不利狀況依次為工況6、工況4、工況2、工況5、工況3、工況1。所以，根據(jù)對坑槽界面處的正應力及剪應力的分析，最終確定其最不利位置為工況6，即坑槽角隅處。

表3 不同工況下坑槽界面剪應力 kPa

2.2 修補深度對坑槽界面應力的影響

病害程度不同，修補深度也有所不同：當瀝青道面僅出現(xiàn)小而淺的微小剝落或松散時，修補上面層即可；當瀝青道面出現(xiàn)較深的坑洞，影響到中面層的結(jié)構穩(wěn)定性時，就要對上中面層進行修補；當坑槽破損貫穿整個瀝青道面面層時，需對面層全部進行修補[6-8]。

根據(jù)病害程度確定坑槽深度分別為4、9、15 cm，進行不同修補深度下的最大正應力和剪應力分析。界面處σx、σz、τxy、τxz和τzy的最大值如表4和圖4、5所示。

表4 不同修補深度下界面最大正應力和剪應力 kPa

圖4 不同修補深度下界面最大正應力

圖5 不同修補深度下界面最大剪應力

從表4及圖4、5可以看出：隨著修補深度的增加，τxy有略微增大；τz增長幅度較大，但由于其本身較小，因而對剪應力的影響有限；τzy先增大后減小，在9 cm附近有一個最大值；σx和σz則有所減小，其中σx減小幅度較大，說明隨著修補深度的減小，坑槽更容易出現(xiàn)擠壓破壞[9-11]。綜合分析可以看出，修補深度較淺時，坑槽更容易發(fā)生破壞。

2.3水平荷載對坑槽界面應力的影響

在道面上行駛的車輛會對道面產(chǎn)生豎向和水平2個方向的作用力。通常情況下，勻速行駛在道面上的車輛，其輪胎對道面產(chǎn)生的水平力由式(1)確定；制動或加減速的車輛對道面產(chǎn)生的水平力由式(2)確定。

式中：F1、F2為勻速行駛以及制動、加速或減速情況下作用在道面上的水平荷載；λ為輪胎與道面間的滾動摩擦系數(shù)；φ為輪胎與道面間的滑動摩擦系數(shù)；P為標準軸載。

摩擦系數(shù)λ與φ的大小主要由道面的結(jié)構形式、道路表層狀態(tài)、車輛的運動情況、輪胎的花紋形式及其磨損程度決定[12-13]。勻速行駛的車輛在道面上僅產(chǎn)生滾動摩阻力，其大小為豎向力的1%～2%，也就是說水泥混凝土或瀝青混凝土道面的λ值一般情況下僅為0.01～0.02，通常在分析及計算過程中忽略不計。但是，制動或加減速的車輛將在道面上產(chǎn)生滑動摩阻力，其水平力會非常大[14]。在公交停靠站、道路交叉路口等，由于車輛的緩慢制動，輪胎與道面之間將產(chǎn)生0.2P的滑動摩阻力；在車輛緊急制動時，其滑動摩擦系數(shù)甚至會達到0.5左右。因此，本文對φ為0、0.2、0.4及0.6時坑槽界面剪應力的變化進行分析。水平荷載作用方向為單向，沿z軸為正向。選取的分析指標是縱向界面應力σx、τxy和τxz，橫向界面應力σz、τzx和τzy及槽底界面應力τyz和τyx的最大值如表5和圖6、7所示。

從表5及圖6、7可以看出，隨著水平荷載的增加，各界面的正應力及剪應力均有所增加。水平荷載系數(shù)每增加0.1，σx、τxy、τxz、σz、τzx、τzy、τyz、τyx分別增加0.7%、3.6%、23.2%、8.4%、23.2%、11.7%、5.7%、4.7%。受水平荷載影響最大的為τxz、σz和τzy，其次是τxy、τyx和τyz，而σx受水平荷載影響很小。由此可知：在交叉口、停車站等緩慢制動處，坑槽縱橫界面處的合成剪應力將增加50%左右，壓應力將增加16.8%左右；在緊急制動時，坑槽縱橫界面處的合成剪應力增加120%左右，壓應力增加40%左右。也就是說，隨著水平荷載的增加，坑槽界面處剪應力和壓應力會急劇增加，極易發(fā)生剪切及擠壓疲勞破壞。

表5 不同水平荷載下界面最大正應力和剪應力 kPa

圖7 不同水平荷載下界面最大剪應力

2.4 重載對坑槽界面應力的影響

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，重載車輛迅速增多，對瀝青路面的使用性能非常不利。為了研究重載車輛對瀝青道面坑槽的影響，本文分別對輪壓為0.7～1.2 MPa時坑槽界面處的正應力及剪應力進行分析，分析結(jié)果如表6 及圖8、9所示[10]。

從表6及圖8、9可以看出，隨著輪壓的增大，瀝青路面坑槽界面處的最大正應力及剪應力基本呈線性增長。輪壓每增加0.1 MPa，σx、τxy、τxz、σz、τzx、τzy均增加14.3%，其合成剪應力增加20.2%。由此可見，假定重載或超載情況下輪壓為1.0 MPa，那么車輛在坑槽界面處產(chǎn)生的正應力及剪應力將會是標準軸載的1.5倍以上，這將會大大縮短瀝青道面坑槽的荷載疲勞壽命。

表6 不同輪載下界面最大正應力和剪應力 kPa

3 結(jié) 語

通過對半剛性基層瀝青路面坑槽在不同修補深度、水平荷載及軸載下界面處的正應力及剪應力進行有限元分析，得到以下結(jié)論。

(1)通過對瀝青路面坑槽在不同荷位下的界面正應力及剪應力進行分析，得出坑槽角隅處為最不利荷位。

(2)隨著修補深度的增加，坑槽界面處的剪應力有微小增加，但壓應力減幅較大，說明較小的坑槽修補深度更易引發(fā)擠壓破壞。

(3)隨著水平荷載系數(shù)的增加，坑槽界面處的正應力及剪應力均有所增加，特別是在汽車緊急制動情況下，坑槽界面合成剪應力將增加1倍以上。

(4)隨著軸載的增大，坑槽界面處的最大正應力及剪應力均呈線性增加，荷載每增加0.1 MPa，壓應力增大14.3%，合成剪應力增大20.2%。

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[責任編輯:王玉玲]

Analysis on Mechanical Behaviour of Pothole Repair Interface of Asphalt Pavement

LI Wei-guang1, LIAN Cheng2, CHEN Jin-zhang3, TANG Dou4, LIANG Peng1
(1. School of Highway,Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi,China; 3. ZHONGJIAOTONGLI Construction Co., Ltd., Xi’an 710075, Shaanxi, China; 4. Jiangmen Land Planning and Environmental Protection Agency of Guangdong Province,Jiangmen 529040, Guangdong,China)

Aimed at the poor durability of asphalt pavement after pothole repair and premature secondary damage showing at the interface and the corner, the finite element software ABAQUS was used to establish the three-dimensional finite element model of the pothole repair so as to locate the unfavourable loading position. The normal stress and shear stress at the interface of the repaired pavement were analyzed from the aspects of repair depth, horizontal load factor and axle load. The results show that the corner of the pothole is the most unfavorable loading position; the smaller the repair depth, the more prone to crushing; with the increase of horizontal load, the shear stress at the interface increases abruptly, and especially when the emergency braking is performed, the combined shear stress will increase by more than 1.2 times; the axial load is linearly related to the interfacial stress, with the interfacial compressive stress increasing by 14.3% and the combined shear stress increasing by 20.2% for an increment of 0.1 MPa in tire pressure.

asphalt pavement; pothole; secondary damage; interface

1000-033X(2017)06-0041-06

2017-01-12

交通運輸部建設科技基金資助項目(2013318J09230)；河南省交通運輸廳科技基金資助項目(2012D11)

李煒光(1971-)，男，山西長治人，博士，教授，研究方向為新型道路建筑材料。

U418.8

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