黃 娟 （江蘇燕寧工程科技集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210004）

1 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，尤其是東南沿海地區(qū)，人民群眾對(duì)于城市道路系統(tǒng)的需求不僅僅是停留在“發(fā)展數(shù)量”，更多地上升為“發(fā)展質(zhì)量”[1]。尤其是高速公路及快速路段，安全、平穩(wěn)、快速通過是大部分司機(jī)對(duì)于道路工程的愿景。瀝青混凝土路面具有表面平整、耐磨、養(yǎng)護(hù)維修工藝簡(jiǎn)單、行車舒適及施工周期短等特點(diǎn)，成為了新建與改建高速道路的首選材料。但隨著汽車數(shù)量的增多、人為因素、施工規(guī)范不統(tǒng)一及超載等原因，瀝青混凝土路面或多或少的出現(xiàn)一定的破損，而車轍是最常見的損害，尤其是在交叉路口處[2-3]。

瀝青路面的蠕變變形也即車轍是造成行車顛簸與慢速行駛的主要原因。對(duì)于瀝青混凝土的路面蠕變變形研究，大都在恒溫狀態(tài)下，有學(xué)者認(rèn)為這樣考慮能夠提高安全系數(shù)，但該做法不能較好地與實(shí)際情況貼合。現(xiàn)實(shí)情況是，瀝青混凝土路面是受連續(xù)變溫的日照溫度場(chǎng)影響，屬于瞬態(tài)問題，如果數(shù)值模型中采取的是恒溫溫度場(chǎng)，則是穩(wěn)態(tài)分析，瀝青混凝土作為一黏彈性介質(zhì)，受溫度影響很大，尤其是在連續(xù)高溫作用下。因此要想了解瀝青混凝土路面在實(shí)際情況下的蠕變變形，則必須要采用瞬態(tài)分析，引入與實(shí)際工程相關(guān)的實(shí)際溫度場(chǎng)，并且考慮材料本構(gòu)隨溫度的變化，建立車轍模擬的時(shí)空分析方法，才能以此估算更為符合實(shí)際的車轍計(jì)算[4-5]。

本文擬依托福建省東山地區(qū)某實(shí)際工程，通過記錄7月份的天氣數(shù)據(jù)及利用ABAQUS軟件計(jì)算得到分析場(chǎng)地的瞬態(tài)連續(xù)變溫溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到蠕變分析模型中，探究瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土路面蠕變變形，分析瞬態(tài)連續(xù)變化溫度場(chǎng)下車轍處的位移、應(yīng)力及蠕應(yīng)變情況得到瀝青路面在瞬態(tài)連續(xù)變溫下產(chǎn)生蠕變的力學(xué)機(jī)理。該結(jié)果是基于東山地區(qū)實(shí)際交通特性、城市自身氣候條件進(jìn)行的瀝青混凝土路面的車轍研究，對(duì)于改善該城市道路瀝青路面耐久性具有重要意義。

2 瀝青混凝土路面蠕變機(jī)理

材料受到低于降服或者抗拉應(yīng)力作用時(shí)，造成長(zhǎng)時(shí)間的塑性變形之現(xiàn)象稱之為蠕變。金屬材料蠕變行為通常發(fā)生于連續(xù)變溫中的高溫階段，在其余溫度階段蠕變現(xiàn)象極小，通常視為無蠕變現(xiàn)象發(fā)生。而本文所研究的瀝青混凝土屬于改性混凝土，為高分子材料，高分子材料在常溫時(shí)會(huì)有較明顯的蠕變現(xiàn)象發(fā)生，而當(dāng)應(yīng)力或溫度梯度增加時(shí)，蠕變現(xiàn)象愈加明顯。

一般而言，在初始應(yīng)力一定時(shí)，也即假定路面行車荷載為可描述的線性荷載，瀝青混凝土蠕變行為中總應(yīng)變?chǔ)牛╰）可分解為彈性應(yīng)變與蠕應(yīng)變[6]：

當(dāng)蠕變行為進(jìn)入材料塑性區(qū)，則總應(yīng)變?chǔ)牛╰）可分解為：

式中，εin、εp及 εc分別為彈性應(yīng)變、非彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變及蠕應(yīng)變。其中εc蠕應(yīng)變可以用時(shí)間t、溫度T及應(yīng)力σ的函數(shù)進(jìn)行表示：

通常溫度造成宏觀（蠕變）變形與材料內(nèi)部的分子振動(dòng)造成分子鏈的滑動(dòng)以及分子鏈結(jié)構(gòu)改變相關(guān)，而且材料內(nèi)部的分子振動(dòng)頻率v與鍵節(jié)移動(dòng)所克服之勢(shì)能壘相依。因此，在以后的研究過程中，探索瀝青混凝土在瞬態(tài)連續(xù)變溫下的宏細(xì)觀變形之間的聯(lián)系將有利于完善瀝青混凝土的蠕變機(jī)制，并能為改性瀝青混凝土新材料的誕生提供量產(chǎn)可能。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

東山縣位于福建南部沿海、臺(tái)灣海峽西岸。地勢(shì)由西北向東南傾斜，地貌依序?yàn)榈颓?臺(tái)地-濱海小平原（海拔15m以下），最高處蘇峰山頂海拔274.3m。路線穿越的地貌單元主要有3個(gè)，為侵蝕剝蝕丘陵地貌區(qū)、海積階地地貌區(qū)及淺海灘涂地貌區(qū)，且大部分為侵蝕剝蝕丘陵地貌區(qū)和海積階地地貌區(qū)。

國(guó)省干線聯(lián)十五線東山生態(tài)環(huán)島公路主線西銅公路經(jīng)砂礦路至親營(yíng)段（K18+450～K24+613），道路等級(jí)為公路一級(jí)（兼城市道路功能），設(shè)計(jì)車速60km/h，設(shè)計(jì)荷載：橋梁為公路Ⅰ級(jí)、路面為雙輪組單軸100kN，道路全長(zhǎng)6.163km，路線起點(diǎn)與砂礦路橡膠，經(jīng)莊園御海、濱海灣花園、裕華石油，終點(diǎn)位于親營(yíng)村水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，包括道路、橋涵、雨污水管道及景觀綠化工程等。

依托項(xiàng)目的路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為70cm，包括：細(xì)粒式改性瀝青混凝土AC-13C上面層4cm；中粒式改性瀝青混凝土AC-20C下面層6cm；瀝青穩(wěn)定碎石（ATB-25）上基層14cm；級(jí)配碎石下基層15cm；瀝青表處下封層1cm；水泥（5%）穩(wěn)定碎石底基層30cm

3.2 瞬態(tài)連續(xù)溫度場(chǎng)計(jì)算

東山島屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，常年氣候溫和濕潤(rùn)，冬暖夏涼，全年無霜。年降水量1103.8mm，歷年月平均最高氣溫30.7℃、月均最低氣溫11.1℃，平均濕度81%；臺(tái)風(fēng)平均每年影響4.4次，最大風(fēng)力12級(jí)以上，最大風(fēng)速8m/s；歷年平均雷電日35.3d，以3～9月為雷電多發(fā)時(shí)期。本文擬參考2017年7月份某天24h氣溫?cái)?shù)據(jù)，如圖1所示，通過ABAQUS初始分析步的熱傳遞模塊及相互作用中的定義幅值溫度曲線、surface film condition、二次開發(fā)的子程序FILM定義隨時(shí)間變化的外界溫度（溫度邊界條件），在載荷模塊中通過二次開發(fā)的子程序DFLUX定義隨時(shí)間變化的熱流。通過計(jì)算可得到依托工程的瞬態(tài)連續(xù)變溫溫度場(chǎng)，熱流量向量云圖如圖2所示，考慮瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土路面蠕變分析的計(jì)算流程如圖3所示。

圖1 工程所在場(chǎng)地某天24h氣溫變化

圖2 瞬態(tài)連續(xù)變溫溫度場(chǎng)熱流量向量云圖

圖3 考慮瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土路面蠕變分析計(jì)算流程

3.3 材料參數(shù)及本構(gòu)選取

在ABAQUS軟件中對(duì)于車轍的計(jì)算，一般采用時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)，此處假設(shè)分析模型中為各向同性的材料。分析蠕變變形，一般采用Bailey-Norton蠕變規(guī)律，在應(yīng)力不變的條件下，時(shí)間硬化蠕變模型表達(dá)式為：

其中，q 與 t表示應(yīng)力和時(shí)間，C1和 C2、C3為溫度模型的參數(shù)。

若假定q與t互不相關(guān)，則有：

令 A=C1C3；n=C2；m=C3-1

則有：

該式即為ABAQUS中以蠕變率表示的時(shí)間硬化蠕變模型，A和n、m為模型參數(shù)。具體數(shù)值如表1所示。

路面混合料蠕變參數(shù) 表1

3.4 瀝青混凝土路面蠕變分析

依托東山縣實(shí)際工程，建立ABAQUS有限元分析模型，模型幾何參數(shù)如圖4所示，通過觀察瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土模型車轍處的蠕變、應(yīng)變、豎向位移對(duì)福建東山地區(qū)砂礦路至親營(yíng)段路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效評(píng)估，在施加荷載時(shí)，設(shè)置接地壓力為0.7MPa，一次加載時(shí)間約為0.009s。計(jì)算得到瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土模型的響應(yīng)情況，如圖5所示。

從圖5(a)(b)(c)可以看出，瞬態(tài)連續(xù)變溫下對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的蠕變主要發(fā)生在車轍正下方，車轍的產(chǎn)生主要是由非彈性應(yīng)變產(chǎn)生，而不是由彈性應(yīng)變產(chǎn)生。從圖5(d)中可以發(fā)現(xiàn)車轍是具有溫度區(qū)間效應(yīng)的，尤其當(dāng)超過26℃時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度與模量會(huì)隨著溫度的升高而下降，車轍處剪應(yīng)力云圖響應(yīng)較大，因此在高溫條件下，瀝青路面會(huì)由于混合料的高溫抗剪強(qiáng)度不足而引起混合料剪切破壞，加速蠕變的產(chǎn)生，從而引起車轍的發(fā)展。

圖4 瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土蠕變模型

圖5 瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土云圖：

4 結(jié)論

本文建立了福建東山地區(qū)瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土路面蠕變模型，通過記錄當(dāng)?shù)?月份某天的天氣數(shù)據(jù)及ABAQUS軟件分析得到了分析場(chǎng)地的瞬態(tài)連續(xù)變溫溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入至車轍模擬模型中，計(jì)算得到瞬態(tài)連續(xù)變溫下瀝青混凝土路面的蠕變響應(yīng)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高溫條件下，瀝青混凝土材料由于黏彈性受溫度變化影響較大，所以在高溫條件下，會(huì)由于混合料的高溫抗剪強(qiáng)度不足而引起剪切破壞，從而形成車轍。