朱林濤
(汕頭大學(xué),廣東 汕頭 515063)
我國瀝青路面的設(shè)計方法是以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ)的,能夠較好地反映瀝青路面的分層鋪裝特性和應(yīng)力狀態(tài),一般可以作為力學(xué)-經(jīng)驗法的理論模型。該理論要求在實際應(yīng)用和施工過程中,瀝青路面各層構(gòu)造在接觸條件上滿足層間完全連續(xù)性以及材料的彈性、受力均勻性和材料、受力各向同性的理論假設(shè)。在實際的瀝青路面施工過程中,為了保證層與層之間的施工質(zhì)量,現(xiàn)已有眾多技術(shù)措施來支持,比如設(shè)置粘層、透層、封層,更能夠根據(jù)不同的狀況靈活地選取幾種技術(shù)措施。但是因為路面作業(yè)的交叉與間斷操作,或者由于車輛與人通行之后清掃不及時,導(dǎo)致瀝青各個面層之間或基層與下面層之間的黏結(jié)性能受到影響,遇水后會形成淤泥,從而造成污染。路面各個結(jié)構(gòu)間的黏結(jié)狀態(tài)由連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榘脒B續(xù)、甚至滑動狀態(tài),這一變化使路面的完整性和使用壽命受到重大影響。因此,以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ),從實際受力狀態(tài)出發(fā),充分考慮路面結(jié)構(gòu)的實際接觸情況,才能獲得路面設(shè)計最理想的效果。
路面設(shè)計時,以瀝青混凝土路面為例,它的設(shè)計規(guī)范依據(jù)是彈性層狀體系理論。關(guān)于瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計從過去到現(xiàn)在有眾多的理論基礎(chǔ),此彈性層狀體系理論已經(jīng)能夠較好地反映路面結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài),因此在計算時多采用該理論。并且隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,利用計算機對彈性層狀體系結(jié)構(gòu)(瀝青路面結(jié)構(gòu))進行精確計算,使得利用計算機對數(shù)據(jù)結(jié)果加以修正以獲得可靠的數(shù)據(jù)信息的目的得以實現(xiàn)。
應(yīng)用有限元方法對瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)進行研究主要形成了兩種思路。第一種是根據(jù)已有的路面設(shè)計軟件和自己編寫的有限元程序來改變層間剪切模量的方法來實現(xiàn)。第二種是利用大型有限元軟件如ansys、abaqus等,設(shè)置不同的層間摩擦系數(shù)來對應(yīng)不同的路面層間接觸狀態(tài)。有限元軟件的出現(xiàn)為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力計算問題提供了有力的保障和支持。路面層間接觸的分析屬于非線性分析的范疇,有限元分析對于由于車輛荷載和溫度引起路面的非線性變化有完善的計算系統(tǒng)。車輛行駛過程中可能會面臨時經(jīng)常性的剎車制動與起步,這一過程會產(chǎn)生水平作用力,在接觸分析這一領(lǐng)域還可以研究水平制動力對瀝青面層的力學(xué)響應(yīng),利用已建好的有限元模型分析各個力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律。
這兩種學(xué)科發(fā)展至今已有50多年的歷史,主要被國外學(xué)者應(yīng)用來研究一些材料的特性。對瀝青路面所受荷載的加載規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),路面結(jié)構(gòu)上主荷載——車輛驅(qū)動荷載既屬于一種動態(tài)荷載,又具備瞬時荷載的循環(huán)重復(fù)的加載特點,所以瀝青路面在這種車輪的驅(qū)動荷載作用下明顯會出現(xiàn)應(yīng)變滯后現(xiàn)象和應(yīng)力松弛現(xiàn)象。這兩門科學(xué)為系統(tǒng)地研究和闡述瀝青路面結(jié)構(gòu)受力的機理提供了重要的理論支持的指導(dǎo),然后以此為前提提出一種科學(xué)的檢測方法,使計算所得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確科學(xué)。
2.1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)
在進行有限元分析的時候,需要解決以下幾個方面的問題:建立合適的計算模型,劃分合理的網(wǎng)格方便計算和便于精準(zhǔn)計算,充分考慮幾何邊界條件等問題。同時,還需要選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)值來區(qū)分不同的接觸類型,本文將通過設(shè)置不同的摩擦系數(shù)來區(qū)分。在確定模型尺寸的時候,先參考相關(guān)文獻中瀝青路面的理論模型尺寸,再結(jié)合計算的需求、有限元軟件分析計算速度和計算機的計算運行因素,建立模型尺寸長寬高分別為5m×5m×2m(長×寬×高)。網(wǎng)格劃分的時候為了更好地接近實際狀態(tài)和方便準(zhǔn)確的計算分析,可以依據(jù)的原則是根據(jù)荷載作用區(qū)域的影響范圍,車輛荷載作用較近的區(qū)域劃分為密集網(wǎng)格,荷載作用較遠的區(qū)域劃分為稀疏網(wǎng)格。根據(jù)已有高速公路的材料參數(shù)確定本文路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù),如表1所示。
荷載作用的計算模型為雙圓均布荷載。一側(cè)兩個車輪的總載荷為50kN,載荷圓半徑為10.65cm。
2.1.2 根據(jù)接觸狀態(tài)計算分析
接觸分析的研究思路是在有限元軟件中將其設(shè)置為約束狀態(tài),這個是可以通過有限元軟件設(shè)置功能來實現(xiàn)的,并以此模擬路面結(jié)構(gòu)層的整體受力,將計算結(jié)果與彈性層狀體系理論模型數(shù)據(jù)進行對比,證明本模型的合理性。針對接觸和連續(xù)兩個模型在彎沉和剪應(yīng)力等力學(xué)指標(biāo)做一個計算結(jié)果的分析對比。再針對接觸模型,改變不同的摩擦系數(shù)來對應(yīng)不同層間接觸狀態(tài),最后得出接觸模型更符合路面的實際受力狀態(tài),接觸模型的計算結(jié)果更有利于指導(dǎo)工程施工、路面設(shè)計等。
2.2.1 不同接觸狀態(tài)最大剪應(yīng)力數(shù)值計算
使得瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生病害的原因有很多,但剪應(yīng)力在其中發(fā)揮著不可忽視的作用。在摩擦系數(shù)μ=0.5的連續(xù)模型和接觸模型中,沿垂直結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在層底。從上到下,連續(xù)模型的最大剪應(yīng)力低于接觸模型的最大剪應(yīng)力,且沿截面的變化趨勢更加緩和。計算結(jié)果對比分析如圖1,2所示。
表1 國內(nèi)知名高速公路材料參數(shù)
通過對兩層底部剪應(yīng)力曲線圖的對比分析,發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在載荷區(qū)域以下的邊緣,接觸模型上層最大剪應(yīng)力的變化趨勢大于連續(xù)模型上層的變化趨勢,與檢測數(shù)據(jù)對比,接觸模型更符合路面的實際應(yīng)力狀態(tài)。連續(xù)模型(理想模型)中的最大剪應(yīng)力和整體剪應(yīng)力相對于實際受力較小,且應(yīng)力擴散現(xiàn)象出現(xiàn)在地基中,以此結(jié)果進行路面設(shè)計將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層厚度的不足。兩種模型的剪應(yīng)力對比如2所示。
2.2.2 層面彎沉值計算
在JTGD50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中,路面施工結(jié)束時,為保證路面結(jié)構(gòu)的強度和承載能力達到相應(yīng)的指標(biāo)要求,設(shè)置了一系列力學(xué)指標(biāo),彎沉值就是其中一項重要的檢測指標(biāo)。但是,調(diào)查結(jié)果顯示,大多數(shù)正在使用的高速公路,實際檢測的路面彎沉值與路面損壞之間無明顯的關(guān)聯(lián)。也就是說,公路正常使用的時候,瀝青路面層與層交接的地方接觸狀態(tài)和相互作用的方式逐漸改變。應(yīng)用有限元軟件對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析時,設(shè)置不同的層間摩擦系數(shù)來對應(yīng)不同的層間接觸狀態(tài)。綜合考慮不同的層間接觸狀態(tài),從接觸良好(μ=0.7)到接觸不良(μ=0.3),計算所得彎沉值的數(shù)值曲線如圖3~5所示。
圖1 連續(xù)模型層底剪應(yīng)力曲線
表2 兩種模型最大剪應(yīng)力值及增幅
圖2 接觸模型層底剪應(yīng)力曲線
圖3 面層彎沉值計算結(jié)果
圖4 基層彎沉值計算結(jié)果
圖5 底基層彎沉值計算結(jié)果
根據(jù)曲線圖可以看出,靠近單圓軸中線的位置發(fā)生較大的變形,撓度達到峰值,兩圓間隙內(nèi)范圍撓度變形較大,距離荷載作用范圍越遠,撓度變形越小。撓度大小變化規(guī)律與距離荷載作用區(qū)的遠近有關(guān),跟不同的摩擦系數(shù)無關(guān)。摩擦系數(shù)對應(yīng)著層間接觸的程度,摩擦系數(shù)越小,層間不連續(xù)程度增加,瀝青面層底部撓度大小幾乎無變化,底基層底部撓度增大趨勢最為明顯,增加了25.6%,瀝青路面結(jié)構(gòu)總彎沉主要部分就是底基層底部產(chǎn)生的撓度變形。各層在不同摩擦系數(shù)下的最大撓度值如表3所示。
本文為研究瀝青路面厚度與其應(yīng)力分布的作用機理,選取4種厚度分別為8,12,15,18cm的瀝青路面,建立了不同厚度的路面有限元模型,選擇剪應(yīng)力為主要研究力學(xué)指標(biāo)。主要結(jié)論如下:①瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層厚度是影響瀝青路面受力狀態(tài)和強度的重要因素;②當(dāng)瀝青路面厚度超過18cm時,瀝青路面與基層之間的剪應(yīng)力趨于零,而瀝青路面的剪應(yīng)力則隨著瀝青路面厚度的增加而增大。③瀝青路面面層厚度越小,瀝青面層與基層之間的剪應(yīng)力越大。
瀝青路面出現(xiàn)車轍是很常見的現(xiàn)象,它的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果,溫度影響和荷載是兩個重要原因。由于瀝青路面材料具有黏彈性,應(yīng)力引起的車轍實際上是瀝青路面材料在高溫作用下的狀態(tài)變化。因此,路面層車轍的產(chǎn)生不僅與路面所受荷載產(chǎn)生應(yīng)力有關(guān),而且受溫度的影響比較明顯。瀝青混合料的受力狀態(tài)隨溫度而改變的特性,直接對路面質(zhì)量產(chǎn)生影響。在高溫狀態(tài)影響下,瀝青混合料具有黏彈性、塑性體性質(zhì),承受車輛帶來的荷載壓力和少量的應(yīng)力作用時,會產(chǎn)生由于溫度變形而產(chǎn)生的變形力,這種力會對瀝青路面結(jié)構(gòu)帶來永久性的破壞,路面遭到破壞之后,車輛的正常行駛也受到了影響。溫度對瀝青路面的剛度模量會產(chǎn)生十分顯著的影響?;旌狭系膭偠饶A侩S著溫度的升高而降低,成反比例關(guān)系,瀝青路面剛度模量降低對路面受力的影響大。
比較分析之后可以得出以下結(jié)論:路面結(jié)構(gòu)層表層的剪應(yīng)力較大的時候,底層的剪應(yīng)力也達到峰值?;鶎踊蛳虏炕鶎拥穆访婧穸葧绊懧访鏋r青層的變形,大體成正比例關(guān)系。對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用年限分析時,除了考慮路面的荷載作用外,還應(yīng)考慮到在高溫下的穩(wěn)定性。當(dāng)路面模量減小時,路面內(nèi)部的激振力略有提高,這時路面如果受到高溫的影響就容易發(fā)生由溫度應(yīng)力引起的破壞。而提高或減小基層厚度和模量等變化時,路面剪應(yīng)力大小的變化不顯著。
表3 不同摩擦系數(shù)下最大彎沉值 mm