高曉偉， 顏薇*， 宋琿， 任東亞， 艾長發(fā)

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2.道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.廈門百城建設(shè)投資有限公司)

在日益增長的交通量和重載車輛的反復(fù)作用下，瀝青路面易被破壞。為恢復(fù)路面性能，延長修復(fù)后路面的使用壽命，針對(duì)交通特點(diǎn)與環(huán)境條件，合理選擇路面改造措施是關(guān)鍵。其中，碾壓混凝土(RCC)基層瀝青路面由于其施工便捷以及良好的力學(xué)性能，在路面改造以及低等級(jí)路面中使用較廣。章佩佳認(rèn)為RCC基層使應(yīng)力在基層和面層之間進(jìn)行了重分布，有利于保護(hù)基層，提高結(jié)構(gòu)承載能力；黃準(zhǔn)生認(rèn)為RCC基層的厚度取18～24 cm較為適宜，在基層與瀝青面層之間設(shè)置土工織物或級(jí)配碎石過渡層能夠有效延長結(jié)構(gòu)使用壽命；謝光寧認(rèn)為在廣東高溫多雨地區(qū)RCC基層路面相比柔性路面在解決重載交通下瀝青路面耐久性的問題上更有優(yōu)勢(shì)；美國學(xué)者Delatte提出由RCC和熱拌瀝青(HMA)組成的復(fù)合式路面系統(tǒng)在承受重載交通時(shí)耐久性表現(xiàn)出色；Plati認(rèn)為RCC的壓實(shí)模式(靜態(tài)，動(dòng)態(tài)，兩者結(jié)合)以及溫度條件對(duì)其所在路面結(jié)構(gòu)的承載力和使用壽命有較大影響。以上研究為RCC基層在新建與改造路面工程中的應(yīng)用提供了理論與實(shí)踐支撐，但由于RCC材料溫度敏感性較強(qiáng)，在高溫和大溫差下會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力甚至影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與使用壽命，而目前關(guān)于RCC基層瀝青路面在溫度以及溫度與移動(dòng)荷載耦合作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)研究較少，為此，該文依托南方某市某特重交通市政道路路面改造工程，利用Abaqus軟件對(duì)RCC基層、組合式基層以及傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)和溫度+移動(dòng)荷載耦合分析，對(duì)比3種結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)劣。

1 路面結(jié)構(gòu)方案和計(jì)算模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)方案

圖1為3種路面結(jié)構(gòu)方案。其中結(jié)構(gòu)1為原路面半剛性基層結(jié)構(gòu)，由于較大的交通量以及重載車輛的長期作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)1基層以上結(jié)構(gòu)遭到破壞；結(jié)構(gòu)2、3為兩種改造方案，分別為RCC基層和組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

圖1 3種路面結(jié)構(gòu)(單位：cm)

1.2 計(jì)算模型

圖2為3種路面結(jié)構(gòu)采用有限元計(jì)算模型，3種結(jié)構(gòu)均長8 m，寬6 m，土基厚度5 m，X方向?yàn)楹奢d移動(dòng)方向，Y方向?yàn)槁访婧穸确较?，Z方向?yàn)榈缆窓M斷面方向。其中半剛性基層路面總厚72 cm，組合式基層路面總厚104 cm，RCC基層路面總厚114 cm，其基層有1 cm切縫，切縫之間沒有力學(xué)傳遞。計(jì)算模型為連續(xù)模型，各結(jié)構(gòu)層之間完全黏結(jié)(Tie約束)。

圖2 有限元計(jì)算模型

1.3 氣象參數(shù)與材料熱物性參數(shù)

瀝青路面溫度場(chǎng)的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的過程，受許多因素影響，其中外部環(huán)境影響因素有：外部環(huán)境24 h氣溫變化、日太陽輻射總量Q、日平均風(fēng)速v以及日照時(shí)間c。以Abaqus有限元分析軟件為計(jì)算平臺(tái)，借助用戶子程序FILM、DFLUX，考慮在太陽輻射、路面有效輻射、氣溫及對(duì)流熱交換影響作用下，模擬周期性變溫條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。傳熱模型為一維傳熱，熱流沿著路面豎向進(jìn)行傳遞，輻射面為路面結(jié)構(gòu)的上表面。參考文獻(xiàn)[7]、[8]取值，路面發(fā)射率ε取0.9，太陽輻射吸收率as取0.85，Stefan-Boltzmann常數(shù)取2.041 092×10-4J/(h·m2·K4)，絕對(duì)零度值TZ取-273 ℃，其余氣象參數(shù)與材料的熱物性參數(shù)如表1、2所示，其中氣象參數(shù)選取7月夏季高溫時(shí)期。

表1 氣象參數(shù)

注：Q=25.8 MJ/m2，c=11.8 h，v=2.65 m/s。

表2 材料熱物理參數(shù)

首先計(jì)算路面溫度場(chǎng)，再采用Abaqus提供的順序熱力耦合分析方法進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。瀝青面層材料SMA-13、AC-20以及AC-25采用廣義Maxwell黏彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，使用廣義Prony級(jí)數(shù)擬合，時(shí)溫等效原理采用Williams-Landel-Fer方程(WLF方程)擬合，其余結(jié)構(gòu)層材料采用線彈性模型。

式中：T0為參考溫度，這里取20 ℃,C1和C2為試驗(yàn)確定系數(shù)。

除了常規(guī)的力學(xué)參數(shù)外，材料線性膨脹系數(shù)尤為重要，各類材料熱力學(xué)參數(shù)如表3～6所示。另外，RCC、土工格柵、水泥穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石、土基等幾種材料的線膨脹系數(shù)受溫度影響可忽略不計(jì)，該研究分別擬定為1.0、6.0、0.98、0.5、0.45(×10-5/℃)。

1.4 移動(dòng)荷載模式

移動(dòng)荷載通過Abaqus子程序DLOAD以及UTRACLOAD實(shí)現(xiàn)，荷載移動(dòng)區(qū)域?yàn)閳D2中結(jié)構(gòu)表面4 m深色部分，沿X軸方向，采用標(biāo)準(zhǔn)BZZ-100單軸雙輪荷載，并將接地面積由當(dāng)量圓簡化為面積相當(dāng)?shù)木匦危鐖D3、4所示。接地壓力取為0.7 MPa，水平方向壓力取0.35 MPa。所有計(jì)算數(shù)據(jù)取自各結(jié)構(gòu)層表面，溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力取最大值，溫度荷載耦合取路面中間輪載中心處。

表3 路面結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

表5 黏彈性材料WLF方程參數(shù)

表4 黏彈性材料Prony級(jí)數(shù)

注：gi為材料剪切常數(shù)；τi為松弛時(shí)間；表3～5參數(shù)均基于20 ℃；瞬態(tài)模量：SMA-13:11 100 MPa；AC-20:14 500 MPa；AC-25：13 500 MPa。

表6 路面結(jié)構(gòu)材料線膨脹系數(shù)

圖3 荷載接地面積轉(zhuǎn)換

圖4 單軸雙輪荷載(單位：cm)

2 溫度行為分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

圖5為3種路面各結(jié)構(gòu)層頂面的溫度在24 h中的變化情況。由圖5可知：半剛性基層、RCC基層和組合式基層3種路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布差別不大。在夏季高溫條件下，24 h內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度最大值由基層變化到上面層，再由上面層變化到基層。面層尤其是上面層溫度變化幅度最大，基層及以下結(jié)構(gòu)層變化幅度較小，RCC切縫處并無明顯的溫度梯度變化。路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最低溫度出現(xiàn)在05：00時(shí)左右，日出之后結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度明顯上升，最高溫度出現(xiàn)在14：00時(shí)左右，日落之后溫度緩慢下降。

2.2 溫度應(yīng)力分析

圖6為3種路面各結(jié)構(gòu)層頂面的溫度應(yīng)力在24 h內(nèi)的分布情況，溫度應(yīng)力主要集中在基層及以上結(jié)構(gòu)層。

圖5 不同路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布

圖6 不同路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布

從圖6可看出：各結(jié)構(gòu)層的溫度應(yīng)力變化趨勢(shì)與大氣溫度變化密切相關(guān)。從0:00時(shí)到06:00時(shí)左右，由于大氣溫度不斷下降，面層承受較小的拉應(yīng)力，06:00時(shí)以后氣溫快速上升，拉應(yīng)力快速減小，壓應(yīng)力迅速增大，并在13:00時(shí)左右達(dá)到最大值，隨后隨著大氣溫度降低，壓應(yīng)力開始快速下降，并會(huì)呈現(xiàn)出拉應(yīng)力增大的趨勢(shì)?；鶎优c面層的溫度應(yīng)力變化規(guī)律大致相似，但是在19：00時(shí)左右基層頂面壓應(yīng)力達(dá)到最大，其值是面層壓應(yīng)力最大值的10～20倍，基層是溫度變化引起壓應(yīng)力最明顯的路面結(jié)構(gòu)層。

3種不同結(jié)構(gòu)面層的溫度應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況大致相同，但是在基層表面，原路面半剛性基層結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1)承受的壓應(yīng)力明顯大于碾壓混凝土基層和組合式基層路面改造結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2、3)，兩種改造結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)的力學(xué)優(yōu)勢(shì)非常明顯，由于組合式基層路面下面層為20 cm ATB-25瀝青碎石過渡層，所以面層力學(xué)性能較好，基層頂面的壓應(yīng)力較小。碾壓混凝土基層路面的RCC切縫處并無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不會(huì)影響RCC基層的承載能力，溫度應(yīng)力最大值1 312 kPa出現(xiàn)在切縫靠路面中間處，最小值634.6 kPa出現(xiàn)在兩側(cè)路面邊緣處。

3 溫度與移動(dòng)荷載耦合行為分析

選取14：00時(shí)研究典型溫度場(chǎng)與移動(dòng)荷載共同作用，荷載移動(dòng)速度20 m/s，移動(dòng)區(qū)域長4 m，移動(dòng)時(shí)間為0.2 s。計(jì)算點(diǎn)位于軸載中心，荷載移動(dòng)到該點(diǎn)正上方時(shí)間為0.1 s。

3.1 瀝青層剪應(yīng)力分析

圖7為移動(dòng)荷載與溫度共同作用下3種路面結(jié)構(gòu)下面層頂部的剪切應(yīng)力隨荷載移動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖7 不同路面下面層頂面剪切應(yīng)力

由圖7可得：隨著荷載開始移動(dòng)，剪應(yīng)力非常小，幾乎等于0，當(dāng)荷載移動(dòng)到計(jì)算點(diǎn)附近時(shí)剪應(yīng)力急劇增大，之后又急劇減小至0。原路面結(jié)構(gòu)的下面層頂面剪應(yīng)力最大值明顯大于結(jié)構(gòu)2和3，其峰值達(dá)到1.296 MPa，分別是后兩者的1.85倍和1.63倍，后兩者差別不大。

剪應(yīng)力主要集中在瀝青面層，最大值出現(xiàn)在中、下面層之間，是使路面產(chǎn)生剪切破壞的內(nèi)因，在較高的溫度條件下，瀝青路面容易遭受剪切破壞，所以尤其在南方高溫多雨地區(qū)，設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)時(shí)要盡可能控制剪應(yīng)力，以免由于路面剪切破壞而降低路面的承載能力和使用性能。從抗剪切性能來看，結(jié)構(gòu)2和3更優(yōu)。但結(jié)構(gòu)2的切縫兩側(cè)尖端處容易有剪切應(yīng)力集中造成剪切破壞，需提高切縫處抗剪能力，如在RCC板縫處設(shè)置抗剪鋼筋。

3.2 瀝青層底拉應(yīng)變分析

圖8為移動(dòng)荷載與溫度共同作用下3種路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底彎拉應(yīng)變隨荷載移動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖8 不同路面結(jié)構(gòu)瀝青層底應(yīng)變

從圖8可以看出：荷載距離計(jì)算點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，瀝青層層底承受較小壓應(yīng)變，當(dāng)荷載靠近計(jì)算點(diǎn)時(shí)，瀝青層層底的壓應(yīng)變?cè)絹碓叫?，彎拉?yīng)變?cè)絹碓酱?，?.1 s時(shí)到達(dá)峰值，之后隨著荷載移動(dòng)，彎拉應(yīng)變快速減小。3種結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)1的彎拉應(yīng)變峰值最大，結(jié)構(gòu)2和3較小，從瀝青層層底的彎拉應(yīng)變情況來看，結(jié)構(gòu)2的力學(xué)性能最優(yōu)，承載能力最好，結(jié)構(gòu)3次之，結(jié)構(gòu)1最差。

3.3 土基頂面壓應(yīng)變分析

圖9為移動(dòng)荷載與溫度共同作用下3種路面結(jié)構(gòu)土基頂部壓應(yīng)變隨荷載移動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖9 不同路面結(jié)構(gòu)土基頂部應(yīng)變

從圖9可以看出：隨著荷載移動(dòng)，土基頂部壓應(yīng)變逐漸增大，并在荷載到達(dá)計(jì)算點(diǎn)附近時(shí)達(dá)到最大值， 之后又逐漸減小。3種結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)1的土基頂部壓應(yīng)變峰值最大，達(dá)到29.22×10-6，分別是結(jié)構(gòu)2和3的2.5倍和1.6倍。從土基頂部壓應(yīng)變情況來看，結(jié)構(gòu)2力學(xué)性能最好，結(jié)構(gòu)1最差，結(jié)構(gòu)3居中。

4 損傷壽命預(yù)估

在路面結(jié)構(gòu)的損傷分析中，基于Miner線性損傷模型，瀝青層層底拉應(yīng)變和土基頂部壓應(yīng)變分別用于疲勞開裂分析和永久變形分析。疲勞開裂的破壞極限用式(1)表示：

Nf=0.414(εt)-3.291(E)-0.854

(1)

式中：Nf為防止疲勞開裂的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；εt為瀝青層底部的拉應(yīng)變；E為瀝青層的彈性模量。

永久變形的破壞極限用式(2)表示：

Nd=1.365×10-9(εc)-4.447

(2)

式中：Nd為限制永久變形允許通過的荷載重復(fù)作用次數(shù)；εc為土基頂部壓應(yīng)變。

一年中路面的總損傷率用式(3)表示：

(3)

式中：Dr為路面一年內(nèi)的總損傷率；p為時(shí)期數(shù)；m為荷載組數(shù)；ni,j為i時(shí)期荷載j的預(yù)期重復(fù)作用次數(shù)；Ni,j為i時(shí)期荷載j的允許重復(fù)作用次數(shù)。

根據(jù)依托工程現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的交通量，計(jì)算得到路面模型一年的荷載重復(fù)次數(shù)為7 830 345次,一年末總損傷率的倒數(shù)即為路面的預(yù)期壽命。3種路面結(jié)構(gòu)的損傷分析結(jié)果如表7所示。

表7 損傷分析結(jié)果

注：表中帶方框的數(shù)據(jù)為各方案對(duì)應(yīng)的由控制損傷模式所決定的壽命，即設(shè)計(jì)計(jì)算壽命。

瀝青層層底的拉應(yīng)變?cè)酱螅陂_裂損傷越大，疲勞壽命越小；土基頂部的壓應(yīng)變?cè)酱?，永久變形損傷越大，永久變形壽命越小。所以，在瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工尤其是改造提質(zhì)過程中，要嚴(yán)格控制瀝青層層底的彎拉應(yīng)變和土基頂部的壓應(yīng)變，以免由于產(chǎn)生疲勞開裂破壞或者永久變形破壞而影響路面的正常使用。從表7可得，從路面疲勞開裂和永久變形情況來看，結(jié)構(gòu)2力學(xué)性能最好，使用壽命最長。

5 結(jié)論

(1) 3種結(jié)構(gòu)的路面溫度場(chǎng)分布大致相同；隨著大氣溫度的變化，面層尤其是上面層溫度變化幅度最大，基層及以下結(jié)構(gòu)層變化幅度較??；各結(jié)構(gòu)層的溫度變化梯度大小對(duì)溫度應(yīng)力有較大影響。

(2) 3種結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力變化情況大致類似；溫度應(yīng)力主要集中在基層及以上結(jié)構(gòu)層，且基層承受較大的由溫度變化引起的壓應(yīng)力。面層在日出前以及日落后氣溫較低時(shí)，承受較小的拉應(yīng)力，氣溫升高時(shí)，壓應(yīng)力逐漸增大。

(3) 瀝青下面層頂面剪應(yīng)力、瀝青層層底彎拉應(yīng)變以及土基頂部壓應(yīng)變指標(biāo)均在荷載移動(dòng)過程中先增大后減小，荷載移動(dòng)到計(jì)算點(diǎn)正上方時(shí)達(dá)到最大值。

(4) 在結(jié)構(gòu)2中，RCC基層切縫處易出現(xiàn)剪切應(yīng)力應(yīng)變集中造成基層剪切破壞，可在切縫之間設(shè)置抗剪鋼筋以提高基層切縫處抗剪能力。

(5) 綜合各結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)以及損傷壽命預(yù)估，結(jié)構(gòu)2即碾壓混凝土(RCC)基層瀝青路面最優(yōu)，結(jié)構(gòu)3即組合式基層瀝青路面次之。為保證依托工程路面改造方案能適應(yīng)特重交通荷載要求，推薦使用結(jié)構(gòu)2。