冉升財

(徐州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院 徐州市 221006)

0 引言

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(JTG D50-2017)》中對瀝青路面力學結(jié)構(gòu)模型計算的規(guī)定，在進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算時，均采用多層彈性層狀連續(xù)模型。且施工規(guī)范要求，在面層施工前，需在基層上設(shè)置透層封層等層間粘結(jié)處治措施；瀝青各面層之間施工時，需要灑布粘層油，通過此類技術(shù)措施來保證各層之間形成緊密的整體[1]。但在路面實際施工過程中，由于材料和施工工藝等因素，導(dǎo)致基層和面層之間不能夠達到完全的連續(xù)接觸。如瀝青各面層結(jié)構(gòu)之間會因間斷施工、粘層油灑布不均以及施工車輛污染等因素導(dǎo)致層間接觸不連續(xù)，甚至產(chǎn)生滑動[2-4]。路面使用過程中，在溫度、車輛荷載等綜合作用下，其層間接觸會逐漸變化，相應(yīng)的力學特性亦發(fā)生改變，路面的性能與設(shè)計時相比發(fā)生偏差[5-8]。目前對于路面層間粘結(jié)處治施工及設(shè)計進行了較廣泛研究，但較多研究仍偏向于定性的分析[9]，對于不同接觸狀態(tài)下路面力學響應(yīng)具體的數(shù)值變化研究相對較少，且由于路面結(jié)構(gòu)形式及材料的差異導(dǎo)致相關(guān)研究缺乏針對性。

基于此，為了對層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)的影響有更為準確的定性認識，針對典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，采用Ansys有限元分析軟件，選取三種層間接觸狀態(tài)(連續(xù)、弱連續(xù)、光滑)，對不同接觸狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層力學響應(yīng)進行計算分析，進而對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工進行探討。

1 數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置及模型建立

1.1 路面荷載模型參數(shù)設(shè)置

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)規(guī)范一般是將行車荷載的作用范圍按照圓形均布荷載來計算。但現(xiàn)有的研究成果表明，當輪胎與路面接觸時，其接觸面隨荷載的增加逐漸趨于矩形。為了簡化計算，在建立荷載模型時，將荷載作用面積近似為矩形，考慮到輪胎胎面花紋的存在使得車輪與路面接觸的實際有效面積比印痕內(nèi)的總接地面積小。因此該文進行力學計算時，不僅考慮了作用面積的折減，還考慮了車胎花紋的影響，并將其反映到接地長度或?qū)挾壬?，因此采用的折減系數(shù)取75%。折減時輪胎整個作用面尺寸是固定不變的，為便于計算時每個單元的劃分，將折減形式簡化為如圖1所示(陰影部分表示荷載作用位置)，荷載均勻地分布在陰影范圍內(nèi)。

圖1 輪胎接地面積及接地壓力

建立的荷載模型參數(shù)基于某品牌HF150重型貨車進行計算，車型的相關(guān)指標及計算參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)及計算參數(shù)

1.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

路面的結(jié)構(gòu)形式對于其力學計算有著很大的影響，對于不同結(jié)構(gòu)組合，其模型參數(shù)有較大的不同。該文擬采用典型路面結(jié)構(gòu)進行力學分析，面層結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層結(jié)構(gòu)，基層和底基層均采用水泥穩(wěn)定碎石基層，材料抗壓回彈模量參照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》。計算參數(shù)如表2所示。

表2 半剛性基層路面結(jié)構(gòu)

1.3 有限元數(shù)值模型建立

根據(jù)已有的荷載和結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，在Ansys中建立三維路面結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。根據(jù)汽車軸載和輪胎接地面積的大小，為了消除尺寸效應(yīng)的影響，將模型的平面尺寸設(shè)置為2.5m×2.5m，Z向高度尺寸則根據(jù)計算的路面整體結(jié)構(gòu)厚度和設(shè)計理論彎沉值進行設(shè)置。計算單元設(shè)置為八節(jié)點等參數(shù)，結(jié)合路面實際情況設(shè)置四周及地面無位移的邊界限制條件。

圖2 三維有限元模型

基層與面層之間的層間接觸狀態(tài)分為完全連續(xù)、弱接觸及完全光滑3種(弱接觸時基層與面層之間設(shè)置接觸單元，摩擦系數(shù)為0.2，完全接觸時摩擦系數(shù)為0)，有限元模型如圖2所示。

2 不同接觸狀態(tài)下的力學響應(yīng)分析

基層與面層之間接觸狀態(tài)的變化將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的變化，針對層間不同接觸狀態(tài)(包括連續(xù)、弱接觸及光滑3種狀態(tài))，對典型路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)進行對比分析，主要分析瀝青層底拉應(yīng)力(變)，基層底基層拉應(yīng)力、各種結(jié)構(gòu)層層間剪應(yīng)力及瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律，計算結(jié)果如表3～表6所示。

表3 不同接觸狀態(tài)下瀝青層底拉應(yīng)力(單位：MPa)

表4 不同接觸狀態(tài)下瀝青層底拉應(yīng)變

表5 不同接觸狀態(tài)下層間剪應(yīng)力

表6 不同接觸狀態(tài)下基層拉應(yīng)力(單位：MPa)

表7 不同接觸狀態(tài)下瀝青層最大剪應(yīng)力及路表彎沉

由以上計算結(jié)果分析可知：

(1)不同接觸狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層縱向拉應(yīng)力對比：

①在層間完全連續(xù)條件下，瀝青各結(jié)構(gòu)層層底均受壓應(yīng)力，而當層間接觸狀態(tài)變?yōu)槿踅佑|時，瀝青結(jié)構(gòu)層層底為拉應(yīng)力，而當層間完全光滑時，瀝青層層底拉應(yīng)力迅速增大，尤其是下面層層底縱向拉應(yīng)力急劇增大到0.1860MPa，極大地增大了發(fā)生橫向裂縫的風險；

②基層和底基層層底拉應(yīng)力的對比也說明了層間接觸狀態(tài)由連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣瑢?dǎo)致基層和底基層層底拉應(yīng)力的增大，但是增幅較瀝青下面層拉應(yīng)力的增幅要小得多；

③盡管瀝青層底承受水平向的壓應(yīng)力，但是其仍處于一定的拉應(yīng)力狀態(tài)中，這也說明我國設(shè)計規(guī)范中仍以瀝青層底部的拉應(yīng)力作為設(shè)計指標，是值得商榷的。

(2)瀝青各結(jié)構(gòu)層底部的拉應(yīng)變變化：層間接觸變?nèi)鯇?dǎo)致瀝青層底拉應(yīng)變增大，其中仍以下面層底部的縱向拉應(yīng)變的增幅最大，光滑條件下層間的縱向拉應(yīng)變比完全連續(xù)時的大6倍以上。

(3)不同接觸狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力對比：

①在光滑狀態(tài)下基層與面層之間的橫向?qū)娱g剪應(yīng)力為0.0101MPa，這主要是受到邊界條件的影響，如果邊界無約束條件，當層間光滑時，層間剪應(yīng)力應(yīng)該為0，與層間連續(xù)時相比大為減??；

②中面層與下面層之間、中面層與上面層之間的剪應(yīng)力，隨著層間接觸條件變?yōu)楣饣?，略有增大，但是增幅有限?/p>

(4)不同接觸狀態(tài)下路表彎沉對比：路表彎沉受層間接觸狀態(tài)的影響較大，與層間連續(xù)時相比，層間光滑時路表彎沉增大了12.5%，可以看出層間接觸狀態(tài)對整體結(jié)構(gòu)強度的影響很大。

3 結(jié)論

采用有限元程序建立路面結(jié)構(gòu)模型，通過對不同層間接觸條件下瀝青路面面層結(jié)構(gòu)分析，得出以下結(jié)論：

(1)在層間完全連續(xù)條件下，瀝青各結(jié)構(gòu)層層底均受壓應(yīng)力，而當層間接觸狀態(tài)變?yōu)槿踅佑|時，瀝青結(jié)構(gòu)層層底變?yōu)槔瓚?yīng)力，而當層間完全光滑時，瀝青層層底拉應(yīng)力迅速增大，路表彎沉也急劇增大，極大地增加了發(fā)生橫向裂縫的風險。

(2)基層和底基層層底拉應(yīng)力的對比也說明了層間接觸狀態(tài)由連續(xù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣?，將?dǎo)致基層和底基層層底拉應(yīng)力的增大，但是增幅較瀝青下面層拉應(yīng)力的增幅要小得多。

(3)盡管瀝青層底承受水平向的壓應(yīng)力，但是其仍處于一定的拉應(yīng)變狀態(tài)中，這也說明我國設(shè)計規(guī)范中仍以瀝青層底部的拉應(yīng)力作為設(shè)計指標，是值得商榷的。

(4)結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)的變化將會引起結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力波動，使得主應(yīng)力應(yīng)變向不利方向發(fā)展，所以路面層間接觸的設(shè)計和施工顯得更加重要。