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        高溫時流固耦合作用對瀝青面層畸變能的影響

        2018-01-31 09:00:41劉富強(qiáng)滕旭秋
        關(guān)鍵詞:層層剪應(yīng)力畸變

        劉富強(qiáng),滕旭秋

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        高溫時流固耦合作用對瀝青面層畸變能的影響

        劉富強(qiáng)1,滕旭秋2

        (1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;2. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

        為了研究瀝青路面高溫時流固耦合作用對面層畸變能的影響,選用典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為研究對象,應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立60 ℃下流固耦合作用瀝青路面三維有限元模型,分析瀝青路面在60 ℃流固耦合作用下瀝青路面下面層的應(yīng)力響應(yīng),從而分析其對面層畸變能的影響。研究結(jié)果表明:瀝青路面高溫時流固耦合作用下,瀝青路面下面層層底的縱向主應(yīng)力、剪應(yīng)力和畸變能都較車輛荷載單獨(dú)作用下大;高溫時流固耦合作用下下面層畸變能較車輛荷載單獨(dú)作用下增大了1.89倍。

        瀝青路面;有限元;半剛性基層;畸變能;流固耦合作用

        水溫荷無論是單獨(dú)還是綜合作用,對瀝青路面的副作用都不可忽視,實際使用的路面一般不會只受其中1個因素的影響,經(jīng)常出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象是溫度?荷載、水?荷載耦合作用,綜合來說溫度?荷載?水分滲透的綜合作用是瀝青路面損壞的主導(dǎo)因素。Kandhal等[1]通過對美國俄克拉荷馬州和賓夕法尼亞州等4個洲際公路現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)高孔隙率、高應(yīng)力、孔隙水的存在以及高溫作用是造成瀝青黏結(jié)料與集料剝落的主要原因,所以對其耦合作用進(jìn)行研究有很大的必要。目前,對水力耦合作用的研究不多,國內(nèi)外學(xué)者主要從3個方面進(jìn)行了研究。1是研究非飽和水?荷載耦合作用[2?4];2是研究飽和水?荷載耦合作用[5];3是非飽和?飽和與荷載的耦合作用,這種情況研究的成果不太常見[6];也有很少學(xué)者將溫度?水?荷載進(jìn)行耦合研究[7?8],取得了一定的成果。本文分析瀝青路面在高溫時流固耦合作用對面層層底主、剪應(yīng)力的影響,然后分析其對面層畸變能的影響。從材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論可以得知,材料畸變能是引起其屈服的主要因素,無論材料的應(yīng)力狀態(tài)處于何種情況,構(gòu)件某點處畸變能達(dá)到極限值時,材料在該點處就會屈服[9]。對畸變能的研究報告所見甚少,丁彪等[10]對柔性基層瀝青路面面層畸變能與面層參數(shù)之間的影響關(guān)系進(jìn)行了研究。本文是將水溫(高溫,60 ℃)荷三者結(jié)合起來,研究半剛性基層瀝青路面高溫時流固耦合作用對面層畸變能的影響。

        1 瀝青路面面層畸變能的計算及車輛動荷載

        1.1 畸變能的計算

        本節(jié)瀝青路面畸變能的計算借助于材料力學(xué)中第四強(qiáng)度理論和瀝青路面三維應(yīng)力狀態(tài)得到,同時由已知的畸變能計算公式可知,畸變能的大小與路面結(jié)構(gòu)中某點的3個主應(yīng)力及路面結(jié)構(gòu)的參數(shù)有關(guān)[11]。

        假設(shè)和方向分別表示平行于瀝青路面表面、垂直于瀝青路面表面的方向,由沿軸方向且垂直于軸的剪力與,方向的主應(yīng)力組成莫爾圓,從莫爾圓的相關(guān)理論得出1,2和3的計算公式,如式(1)和(2)所示。

        畸變能的計算公式為:

        1.2 車輛動荷載

        圖1 加載過程函數(shù)圖

        2 高溫時流固耦合作用的基本控制方程

        2.1 耦合作用控制方程與耦合模型數(shù)值格式的求解

        2.1.1 耦合作用控制方程

        瀝青路面由固、液、氣三相組成,可將其看作為多孔介質(zhì)材料,其應(yīng)力平衡方程為[8]:

        瀝青路面在車輛動荷載作用下,應(yīng)力、孔隙壓力和溫度是隨時間變化的,在這變化的三者共同作用下介質(zhì)位移的控制方程為:

        不可逆過程的熱力學(xué)對熱力學(xué)耦合傳輸過程進(jìn)行定量描述的方程為:

        在方程中,水流量可由下式表示:

        將式(4)和式(7)代入式(6)中可以得到不可逆過程的熱力學(xué)對熱力學(xué)耦合傳輸過程定量描述的方程為:

        總熱流量q表示為:

        體積元中兩相的質(zhì)量守恒滿足下式:

        將式(9),(11)和(12)聯(lián)立可將方程轉(zhuǎn)化為:

        保留密度中的一次項,水密度的梯度可以根據(jù)水壓力和溫度的梯度得到:

        孔隙梯度表示為:

        將式(15)代入式(14)可得能量平衡方程為:

        式(5),(7)和(16)為一組簡化的水溫荷非線性控制方程,本次將熱量對流忽略,假設(shè)體積比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù),并且溫度變化較小,則可將式(7)簡化為:

        綜上所述,最后求解所需要的水溫荷耦合控制方程為式(5),(8)和(17)。

        2.1.2 耦合模型數(shù)值格式的求解

        采用galerkin有限元方法對耦合模型進(jìn)行求解,先對位置變量進(jìn)行定義,分別代表各方程中的變量,則有:

        式中:N為節(jié)點的基函數(shù),=1, 2, 3…。

        應(yīng)用總剩余量最小原理得:

        假設(shè)不考慮路面結(jié)構(gòu)體內(nèi)的水分流動(由于該文采用的空隙率為6%,結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分的流動不明顯),將材料模型同平衡模型方程聯(lián)立可得有限元形式如式(22)所示。

        整理上式可得最終解為:

        2.2 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

        半剛性基層瀝青路面表面層采用細(xì)粒式瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13,中面層采用密級配中粒式瀝青混合料AC-16,下面層采用粗粒式密級配瀝青混合料AC-25;半剛性基層采用水泥穩(wěn)定碎石上基層和級配碎石底基層組合而成[13],如表1所示:

        2.3 ABAQUS有限元模型的建立

        瀝青路面各層間假定為完全連續(xù)狀態(tài),模型幾何尺寸設(shè)定為3 m×3 m×3m,空隙率為6%,滲透性能通過滲透系數(shù)實現(xiàn),該文分析的是飽水瀝青路面,即飽和度S=1,瀝青材料為彈性材料,有限元計算模型采用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。假定有限元模型的邊界條件為:固態(tài)相-底面固定,側(cè)面各界面均無相對位移,頂面不作約束;液態(tài)相-底面和荷載位置為不透水條件,其余邊界皆為透水條件。方向為行車方向,方向為道路橫斷面方向,為道路結(jié)構(gòu)深度方向。結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。

        表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)(60 ℃)

        圖2 瀝青路面三維有限元模型模擬計算圖

        3 高溫時流固耦合作用和荷載單獨(dú)作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力響應(yīng)分析

        瀝青路面高溫時流固耦合作用過程比較復(fù)雜,本次選取半剛性基層瀝青路面為研究對象,對其在60 ℃下流固耦合作用時下面層層底主應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。

        通過圖3可以看出,瀝青路面在高溫時流固耦合作用和車輛動荷載單獨(dú)作用下,路面結(jié)構(gòu)下面層層底的應(yīng)力呈現(xiàn)曲線波動的變化特點,剪應(yīng)力的波動性更明顯。其中,無論是下面層層底的主應(yīng)力還是剪應(yīng)力,高溫時流固耦合作用的值都較荷載單獨(dú)作用時大。從圖3(a)可以看出路面下面層層底在高溫時流固耦合作用和車輛動荷載單獨(dú)作用下都表現(xiàn)為拉應(yīng)力,其最大拉應(yīng)力值分別為258 kPa和191 kPa,后者較前者減小了1.35倍;從圖3(b)可以看出路面下面層層底在高溫時流固耦合作用和車輛動荷載單獨(dú)作用下的最大剪應(yīng)力值差異性不是太明顯,其最大剪應(yīng)力值分別為23.9 kPa和22.9 kPa,前者較后者增大了1.04倍。由此可知,半剛性基層瀝青路面下面層層底的剪應(yīng)力主要由車輛動荷載產(chǎn)生,提高下面層材料的抗剪切性能,可以有效抵抗車輛荷載產(chǎn)生的剪切破壞。

        圖3 60 ℃時流固耦合作用和荷載單獨(dú)作用下瀝青路面下面層底部應(yīng)力分析

        圖4 最大畸變能變化曲線

        4 高溫時流固耦合作用下面層畸變能的分析

        根據(jù)圖3瀝青路面在60 ℃下流固耦合作用和車輛動荷載單獨(dú)作用時下面層層底主、剪應(yīng)力的分析,可以得知最大畸變能的變化曲線,如圖4所示。

        從圖4可以看出,瀝青路面高溫時流固耦合作用下,路面結(jié)構(gòu)下面層最大畸變能的變化與下面層層底縱向主應(yīng)力的變化相似。其中,在高溫時流固耦合作用下,下面層的畸變能較荷載單獨(dú)作用下相差較大,從而可知對于同一路面結(jié)構(gòu),高溫時流固耦合作用下路面較車輛動荷載單獨(dú)作用下更容易發(fā)生破壞現(xiàn)象。高溫時流固耦合作用和荷載單獨(dú)作用下畸變能最大值分別為65.7 J/m3和34.8 J/m3,前者較后者增大了1.89倍;由此可見,半剛性基層瀝青路面在高溫時流固耦合作用下下面層畸變能較大,在設(shè)計施工中加強(qiáng)該位置的強(qiáng)度,可以有效增強(qiáng)瀝青路面的耐久性和使用性能。

        5 結(jié)論

        1) 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)下面層層底在受到高溫時流固耦合作用下,主要表現(xiàn)出拉應(yīng)力的狀態(tài);高溫時流固耦合作用下最大主應(yīng)力值與車輛動荷載單獨(dú)作用下最大主應(yīng)力值差別較大,說明高溫時流固耦合作用對瀝青路面下面層層底縱向主應(yīng)力的影響較大,在相同路面結(jié)構(gòu)中高溫時流固耦合作用較車輛荷載單獨(dú)作用易產(chǎn)生破壞。

        2) 在高溫時流固耦合作用和車輛荷載單獨(dú)作用2種狀態(tài)下,半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)下面層層底的最大剪應(yīng)力值相差不是太顯著;由此可知,車輛荷載是瀝青路面下面層層底產(chǎn)生較大剪應(yīng)力的主要影響因素,如果增強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)下面層材料的抗剪強(qiáng)度,可以有效減小車載和水溫荷耦合作用的破壞。

        3) 高溫時流固耦合作用下瀝青路面下面層最大畸變能與車輛動荷載單獨(dú)作用下差異顯著,其高溫時流固耦合作用下瀝青路面下面層最大畸變能值較車輛動荷載單獨(dú)作用下增大1.89倍。由此可知,高溫時流固耦合作用對半剛性基層瀝青路面下面層的破壞程度顯著高于車輛動荷載的單獨(dú)作用。

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        Influence of fluid-solid coupling action when high temperature ondistortion energy of asphalt pavement layer

        LIU Fuqiang1, TENG Xuqiu2

        (1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. School of Civil Engineering Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

        In order to study the influence of fluid-solid coupling action when high temperature on distortion energy of asphalt pavement layer, choosing the typical asphalt pavement structure with semi-rigid base as the research object and using the finite element software of ABAQUS to create the three-dimensional finite element model of asphalt pavement with conditions of the fluid-solid coupling action at 60 ℃. To analyze the stress response of asphalt pavement layer below under the fluid-solid coupling action at 60 ℃, and then to analyze the influence on its distortion energy. The results show that: the asphalt pavement under the fluid-solid coupling action when high temperature, the vertical principal stress, shear stress and distortion of bottom of the asphalt pavement layer are higher than the asphalt pavement under the vehicle load action alone; Comparing to the vehicle load action alone, the distortion energy of the bottom of asphalt pavement layer under the fluid-solid coupling action when high temperature increased 1.89 times.

        asphalt pavement; finite element; semi-rigid base; distortion energy; fluid-solid coupling action

        U416

        A

        1672 ? 7029(2018)01 ? 0087 ? 07

        2016?12?29

        劉富強(qiáng)(1989?),男,甘肅會寧人,博士,從事公路與城市道路路基路面研究;E?mail:liufuqinangphd@163.com

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