胡 寧

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

國內(nèi)外大量研究表明，對瀝青路面力學響應影響比較明顯的因素主要有荷載、溫度以及各層間接觸狀態(tài)等。荷載的大小不同、作用的組合形式不同對路面力學響應的影響不同。而瀝青又是一種典型的溫度敏感性材料，其力學特性隨溫度的變化而顯著變化。層間接觸狀態(tài)的良好與否，同樣也層間是否出現(xiàn)滑移剪切破壞的重要原因。研究在不同因素影響下的路面力學響應，為更加科學合理的路面設計方案提供必要的參考。

1 荷載

在瀝青路面的力學性能分析時，通常把輪胎與路面的接觸面作為路面受力分析的影響區(qū)域。為了計算方便，一些學者對瀝青混合料模量的研究時，常將接粗面假定為規(guī)則的幾何圖形進行力學計算。而謝水友[2]等認為，接觸面形狀與作用的荷載大小有關，當作用的荷載較小時，接觸面形狀為橢圓形；當作用的荷載較大時，接觸面的形狀為矩形。彭衛(wèi)兵[3]等人又認為，輪胎與路面的接觸形狀應該是一個矩形加兩個半圓的形狀。假定的接觸面形狀不同，力學分析所得的結果也就不同。

劉仕貴[4]采用了ABAQUS對瀝青混凝土路面進行有限元計算分析，選擇了長方形接觸面形狀作為分析模型的接觸面，采用了三維8節(jié)點線性減縮積分單元建模，有限元模型如圖3。研究中結合實際，考慮了4種常見的荷載作用形式，分別是常載、超載、常載+剎車和超載加剎車，對著四種工況進行路面力學分析。結果表明剎車引起的水平荷載對彎拉應力、剪應力峰值及剪應力峰值位置的影響比較大，而超載對路表彎沉值、彎拉應力影響都很顯著。

目前靜力學仍然是國內(nèi)瀝青路面的設計的基礎，提出對動荷載的影響僅僅是基于經(jīng)驗的修正系數(shù)。為了計算方便，有時也把車輛荷載假設為大小不隨時間改變的恒載，但這往往與路面的真實受力狀況存在偏差[5]。張維全在動荷載的作用下研究了路面力學響應的規(guī)律。

在實際道路結構中，移動荷載會使道路各結構層存在阻尼，這會對道路的動態(tài)力學響應產(chǎn)生很大的影響。在阻尼結構的分析計算時采用應用較為廣泛的粘性阻尼假設，即認為材料的阻尼隨著速度的提高而變大，材料阻尼與速度成正比。在路面動態(tài)響應分析中，單元的阻尼矩陣采用瑞利阻尼假設：

式中， α、β為阻尼系數(shù)。

通過建立有限元模型分析表明在移動荷載作用下，結構應變響應具有拉、壓應變具有一定的波動特性，而且路面結構層的層底應變受到了車輛軸載和車輛速度等因素影響。

2 溫度

瀝青面層材料作為也種對溫度極其敏感的感溫材料，瀝青混合料的強度、勁度都隨溫度變化而變化。溫度不僅影響著路面材料的性能，同時影響著路面結構。在以往的溫度對路面力學響應研究中，大多數(shù)研究僅僅以統(tǒng)一的溫度值進行路面分析，沒有考慮路面結構沿深度方向存在著溫度梯度，難以真實分析溫度這一因素對路面力學響應的影響。而針對這個問題，董澤蛟[9]等將溫度梯度這一因素考慮在內(nèi)，并且結合動態(tài)荷載作用研究了溫度場及非均布移動荷載作用下瀝青路面力學響應。

建立瀝青路面結構三維有限元模型，對路面各層材料參數(shù)及熱物理參數(shù)賦值。同時通過運用ABAQUS軟件中實現(xiàn)了太陽輻射、空氣輻射換熱及對流換熱的作用，以便模擬更加真實的溫度場分布。結果表明：荷載對結構動力響應的影響大于溫度場對結構動力響應，但溫度場對響應的幅值有影響；溫度場分布對豎向應變、縱向應變和剪應變的影響較大，對橫向應變值的影響較小。

在高原地區(qū)，晝夜溫差大，加之有凍土的情況，溫度對路面力學響應的影響就更加明顯。王磊在研究溫度場的基礎上，以青藏公路為依托，計算多年凍土地區(qū)的溫度應力。其計算結果表明，瀝青路面面層厚度、材料的彈性模量及材料的線膨脹系數(shù)都對溫度應力的影響巨大。特別在凍土地區(qū)，合理的選擇瀝青的用料、增加瀝青混凝土路面面層厚度、降低瀝青混凝土彈性模量和線膨脹系數(shù)等方法都能有效的減小路面的溫度應力。

3 層間接觸狀態(tài)

瀝青路面結構是多層式結構，層間黏結的良好與否，路面的力學性能影響巨大。當前我國的瀝青路面設計是以彈性層狀體系理論為基礎，其將層間接觸條件假設為完全連續(xù)的。但在實際的施工過程中，路面都是分層修筑的，層間條件是不完全連續(xù)的。當層間黏結得不好，就很容易會引起路面開裂和車轍等破壞。

李彥偉等為了研究瀝青路面層間接觸狀態(tài)對路面力學響應的影響，分析了不同層間接粗狀態(tài)對路面力學性能的影響狀況。在建立結構有限模型時，考慮到脫層失效理論具有能動的反應粘結潔面的強度損失，同時又能體現(xiàn)層間材料厚度、模量及損傷影響等優(yōu)勢，更真實地反應半剛性基層的受力狀態(tài)，將脫層失效理論作為有限元建模的理論基礎。在對層間采用精銑刨、SBS改性瀝青及膠粉改性瀝青等層間處理措施，對其層間應力進行計算。結果表明，在路面厚度小時，采用精銑刨處理和膠粉改性瀝青這類層間黏結力大的處理方式比較有效；當路面厚度大時，一般的層間處理措施就能滿足要求。宋學藝也研究不同層間處治措施對路面粘結性能以及路面使用壽命的影響，得出煤油稀釋瀝青+SBS改性瀝青封層能夠更好的改善層間狀態(tài)，延長路面的使用壽命。另外隨著路面層間接觸狀態(tài)的改善，荷載對路面力學的響應也會越來越小。

高源較為系統(tǒng)地分析了層間接觸狀態(tài)對路面彎沉、面層底面拉應力和和基層底面拉應力等力學響應的影響。得出在面層和基層由連續(xù)狀態(tài)到滑動狀態(tài)過程中，路面的各層底部受力及路基頂面壓應變都有明顯變化，尤其當路面處于超載情況下，影響更為顯著。白雪梅、張艷紅等分析路面力學響應時，同樣發(fā)現(xiàn)層間接觸狀態(tài)對路面彎沉、層間最大剪應力沒有顯著影響，而認為不良的層間接觸是誘發(fā)半剛性瀝青路面開裂以及半剛性基層自身開裂的重要原因。當層間接觸不穩(wěn)定時，基面層間剪應力減小幅度小其抗剪強度減小幅度，因此層間接觸不穩(wěn)定易引起層間滑移破壞。

4 結語

本文主要從車輛荷載、溫度以及層間接觸狀態(tài)三個方面系統(tǒng)闡述瀝青路面力學響應影響因素及其研究方法。得出以下結論：

（1）在當前路面力學響應分析中，研究應從最不利情況出發(fā)，車輛荷載與路面的接觸面形式選擇矩形+雙半圓形式或者長方形。荷載形式不能局限于靜荷載，應考慮為動荷載和不均勻荷載。在實際車輛行駛過程中，特別是在剎車的情況下，由于輪胎與路面間存在摩阻力，不能將車輛荷載僅考慮為垂直的豎向荷載，而應是豎向荷載與水平荷載的聯(lián)合作。此外，垂直荷載對路表彎沉產(chǎn)生影響，對路面力學響應影響相對較小，對路面的破壞程度較低。而水平荷載引起的面層層底彎拉應力和層間剪應力對路面的使用壽命具有較大影響。

（2）溫度同樣是瀝青路面力學響應的重要因素，瀝青混合料的強度、彈性模量等都隨著溫度變化。結合實際考慮結構深度方向的溫度梯度變化是，改變溫度場分布對豎向應變、縱向應變和剪應變值的影響較大，對橫向應變值的影響較小。

（3）與現(xiàn)行的路面設計理論假設不同，路面層間接觸并非是完全連續(xù)的。各層的層間剪應力的大小會隨層間接觸狀態(tài)好壞的變化而變化。層間接觸越穩(wěn)定，越不易產(chǎn)生層間滑移剪切破壞。