唐亮， 李雙喜， 姚康

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

現(xiàn)行瀝青路面以彈性層狀體系理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，此理論假設(shè)各結(jié)構(gòu)層連續(xù)成整體，為實(shí)現(xiàn)這一理論可采用在各結(jié)構(gòu)層之間鋪灑黏層油、雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)等手段，但在施工過程中分層鋪筑、分層壓實(shí)易受自然或人為因素影響導(dǎo)致層間界面受到污染或碾壓不密實(shí)，并且黏層油劑量、溫度也會影響?zhàn)そY(jié)質(zhì)量。因此在實(shí)際工程中難以達(dá)到各結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)的設(shè)計(jì)初衷。

同時在行車荷載反復(fù)作用下，加快了層間界面的破壞，引發(fā)的病害也不容小覷。在日本，經(jīng)常報(bào)道因制動和轉(zhuǎn)向使機(jī)場路面層間失去黏結(jié)，造成機(jī)場路面出現(xiàn)故障；在法國，因?qū)娱g結(jié)合問題影響了5%的公路網(wǎng)。對于層間結(jié)合研究多采用試驗(yàn)手段與數(shù)值模擬方式。馮德成通過直剪試驗(yàn)，得到基-面層層間灑布透層油后可提高65%～78%的黏性；趙艷玲等利用試驗(yàn)及有限元軟件Abaqus，研究半剛性路面基-面層結(jié)合狀況對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響；羅要飛等運(yùn)用Bisar3.0研究面層層間結(jié)合狀況和基-面層層間結(jié)合對半剛性基層瀝青路面力學(xué)性能及疲勞壽命的影響。以上試驗(yàn)研究多開展直剪、斜剪探討層間結(jié)合問題，無法直接與瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)、力學(xué)性能相呼應(yīng)；在數(shù)值模擬方面多考慮基-面層層間結(jié)合問題，對瀝青面層層間結(jié)合問題研究甚少，并且采用的力學(xué)指標(biāo)、計(jì)算點(diǎn)位分析過少并不能完全描述層間結(jié)合對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響。

鑒于此，該文嘗試使用Bisar3.0，考慮3層式瀝青面層層間均完全連續(xù)(工況1)、瀝青面層層間均完全滑動(工況2)、上-中面層層間完全滑動(工況3)與中-下面層層間完全滑動(工況4)共4種工況，分析模擬面層層間結(jié)合狀態(tài)對倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。

2 分析模型建立

輪載采用單軸雙輪垂直均布荷載，即雙輪組單軸載100 kN ，輪胎接地壓強(qiáng)p=0.70 MPa，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d=21.30 cm，兩輪中心距為31.95 cm。以路表雙輪輪隙中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo)體系，其中X、Y、Z向分別為行車方向、道路橫斷面方向和道路深度方向。計(jì)算點(diǎn)位選擇方面，為提高計(jì)算精度，便于利用第三方軟件對計(jì)算結(jié)果予以更精細(xì)全面的可視化描述，以規(guī)范4個計(jì)算點(diǎn)位為基礎(chǔ)，在輪隙與輪載作用區(qū)域處以0.125d為間距，進(jìn)一步增密計(jì)算點(diǎn)位至200個點(diǎn)，具體見圖1，其中Ai，Bi，…，Ti為各結(jié)構(gòu)層計(jì)算點(diǎn)位。

該文背景工程為四川省成德南高速公路鋪設(shè)的倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)K170+018 ～ K170+918試驗(yàn)段之一參考文獻(xiàn)[12]，其結(jié)構(gòu)為瀝青穩(wěn)定碎石與骨架密實(shí)級配碎石為基層、水泥穩(wěn)定碎石為底基層，瀝青面層由SMA-13、AC-20C和AC-25C共3層組成。受Bisar3.0軟件材料模型所限，視各結(jié)構(gòu)層均為理想線彈性體，其動態(tài)壓縮模量E、泊松比μ和厚度分別見圖1(b)中所列。

圖1 分析模型

在Bisar程序中，可設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)剪切彈簧柔量AK或縮減剪切彈簧柔量ALK不同數(shù)值來描述層間結(jié)合狀況，其中標(biāo)準(zhǔn)剪切彈簧柔量被定義為上下兩層之間的相對水平位移與作用于界面上的應(yīng)力之比(單位：m3/N)，它與摩擦系數(shù)(無量綱)α有如下關(guān)系：

(1)

式中：α為摩擦系數(shù)(無量綱)，0≤α≤1；AK為剪切彈簧柔量；a為荷載半徑；μ為該層的泊松比。

層間摩擦系數(shù)α與加載半徑和材料參數(shù)相關(guān)，與經(jīng)典摩擦系數(shù)有本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)α=0 時表示完全連續(xù)，α=1時表示完全光滑。該文分別取摩擦系數(shù)α=0、0.99來表征層間結(jié)合狀態(tài)完全連續(xù)、完全光滑。根據(jù)式(1)，當(dāng)上-中面層層間完全連續(xù)、完全滑動時剪切彈簧柔量AK分別為0、1.198×10-9m3/N，當(dāng)中-下面層層間完全連續(xù)、完全滑動時剪切彈簧柔量AK分別為0、9.414×10-9m3/N。同時假設(shè)基層-面層、路基-基層層間均為完全連續(xù)，僅考慮3層式瀝青面層的層間接觸狀況處于完全連續(xù)或完全滑動，分析工況包括4種：各結(jié)構(gòu)層層間均完全連續(xù)；上-中面層層間完全滑動，其他結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)；中-下面層層間完全滑動，其他結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)；上-中-下面層層間均完全滑動，其他結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)。

因研究對象為倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)，該種路面結(jié)構(gòu)基層為瀝青穩(wěn)定碎石與骨架密實(shí)級配碎石、底基層為水泥穩(wěn)定碎石，按照中國現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，需同時對瀝青混合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)變、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底沿行車方向水平拉應(yīng)力、瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應(yīng)變進(jìn)行分析，下面分別就4種工況對各力學(xué)指標(biāo)的影響予以詳細(xì)闡述。

3 瀝青混合料層底拉應(yīng)變

圖2為x=0處倒裝式瀝青路面在不同面層層間結(jié)合條件下，瀝青混合料層橫向剖面圖。從圖2可以看出：瀝青混合料層層底應(yīng)變均以輪隙中心處為軸呈對稱狀分布，當(dāng)各面層層間均完全連續(xù)時，瀝青混合料層沿行車方向水平應(yīng)變呈開口狀波浪式分布，而只要瀝青面層層間存在一個界面或兩個界面完全滑動，則表現(xiàn)為封閉泡狀分布。在面層層間均完全連續(xù)的工況下，拉應(yīng)變集中于下面層和基層，最大值出現(xiàn)于基層，大小約為34.46×10-6。在上-中面層層間完全滑動工況下，拉應(yīng)變集中分布于上面層和基層，最大值出現(xiàn)在基層，大小約為41.29×10-6，在中-下面層層間完全滑動的工況下，拉應(yīng)變集中分布于中面層與基層，最大值出現(xiàn)在基層，大小約為49.37×10-6。當(dāng)面層層間均完全滑動工況下，拉應(yīng)變集中于上面層、中面層與基層，同時“封閉泡狀”并非是2、3工況的簡單疊加，水平拉應(yīng)變主要集中于上、中面層，但最大值出現(xiàn)在基層，大小約為55.82×10-6，相對于面層層間均完全連續(xù)的工況下，工況2、3、4瀝青混合料層底最大拉應(yīng)變分別增大約19.8%、43.27%、61.98%。以上分析表明：隨著瀝青面層層間結(jié)合狀態(tài)的改變，在面層層間均完全滑動的工況下拉應(yīng)變增長最快；瀝青混合料層沿行車方向水平應(yīng)變的分布形態(tài)、規(guī)律發(fā)生重大變化，對于倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)相對最危險的區(qū)域?yàn)闉r青穩(wěn)定碎石基層，而并非簡單地始終為瀝青下面層層底，因此需在不同面層結(jié)合狀況下對瀝青混合料層疲勞開裂進(jìn)行驗(yàn)算。

圖2 瀝青混合料層沿行車方向水平應(yīng)變分布(單位：×10-6)

4 無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力

因倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)底基層為無機(jī)結(jié)合料，不同面層層間結(jié)合條件下無機(jī)結(jié)合料層層底沿行車方向水平應(yīng)力的空間分布云圖如圖3所示，從總體來看四者空間形態(tài)相似，呈對稱分布，均呈“單峰型”，存在唯一極值都位于雙輪輪隙中心處，4種面層層間結(jié)合狀態(tài)下的無機(jī)結(jié)合料層層底均以拉應(yīng)力為主。不同的面層層間結(jié)合條件對無機(jī)結(jié)合料沿行車方向水平拉應(yīng)力的空間分布形態(tài)影響甚小。

圖3 無機(jī)結(jié)合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)力的空間分布

為進(jìn)一步分析不同面層層間結(jié)合狀態(tài)對無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力的影響，選取無機(jī)結(jié)合料層層底沿橫斷面X=0處進(jìn)行具體分析，如圖4所示。

圖4 X=0處無機(jī)結(jié)合料層層底沿行車方向水平拉應(yīng)力分布

從圖4可以看出：在不同面層層間結(jié)合狀況下，由于輪載的疊加效應(yīng)，致使最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在雙輪輪隙中心處并呈“上凸?fàn)睢狈植夹螒B(tài)。隨著面層層間結(jié)合狀態(tài)的改變無機(jī)結(jié)合料層層底應(yīng)力也發(fā)生變化，無機(jī)結(jié)合料層層底在不同工況下拉應(yīng)力值由小到大的排序?yàn)椋好鎸訉娱g均完全連續(xù)<上-中面層層間完全滑動<中-下面層層間完全滑動<面層層間均完全滑動，對應(yīng)的最大拉應(yīng)力分別為：0.189 1、0.213 2、0.265 7、0.277 1 MPa，相對于面層層間完全連續(xù)工況，后三者分別增大約12.7%、40.51%、46.54%。以上分析表明：對于倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)在面層層間出現(xiàn)滑動時應(yīng)力在不斷增大，且在中-面層層間完全滑動與面層層間完全滑動的工況應(yīng)力增長最快，因此相對于其他兩種工況，中-面層層間完全滑動與面層層間完全滑動更容易出現(xiàn)疲勞開裂破壞。

5 瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力

瀝青混合料層的永久變形量通過瀝青混合料各分層頂面的豎向壓應(yīng)力予以表征。依據(jù)規(guī)范將上、中面層更精細(xì)以20 mm為一層，下面層以40 mm為一層，瀝青碎石基層為最后一層，繪制在不同面層層間結(jié)合條件下X=0處橫向剖面圖各分層頂面的豎向壓應(yīng)力分布，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：4種層間結(jié)合狀況下空間分布形態(tài)較為相似，都以雙輪輪隙為中心呈對稱分布，因輪載作用下應(yīng)力發(fā)生了擴(kuò)散，輪載中心分布著極值且壓應(yīng)力集中分布于輪載中心處并按深度方向逐漸減少，相反由于擴(kuò)散作用導(dǎo)致雙輪輪隙中心處由拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力并沿深度方向逐步增加。

圖5 X=0處瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力的分布(單位：MPa)

面層層間不同結(jié)合狀態(tài)對瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力的影響在單輪荷載中心處變化范圍尤為明顯，現(xiàn)選取道路橫斷面單輪荷載中心處(即Y=0.159 8 m處)，繪制4種面層層間結(jié)合條件下瀝青混合料層各分層頂面豎向壓應(yīng)力的分布情況，如圖6所示，盡管4條曲線略有交叉，只要瀝青面層層間存在滑動都會增大瀝青混合料豎向壓應(yīng)力，但從整體上看， 豎向壓應(yīng)力的分布由高到低依次為瀝青面層層間均完全滑動、上-中面層層間完全滑動、中-下面層層間完全滑動、瀝青面層層間均完全連續(xù)。說明面層層間結(jié)合不良時，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青混合料層抵抗永久變形能力降低，面層完全連續(xù)工況下瀝青混合料層抵抗永久變形能力優(yōu)于面層層間不良結(jié)合工況，由此在面層層間結(jié)合不良的工況下車轍等永久變形病害相對更為嚴(yán)重。

圖6 Y=0.159 8 m處瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力沿道路深度分布

6 路基頂面豎向壓應(yīng)變

圖7為不同面層層間結(jié)合條件下，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)路基頂面豎向壓應(yīng)變的空間分布云圖。由圖7可見：四者總體上較為相似，都呈“盆狀”分布且沿道路深度方向向下凹陷，整個路基頂面都呈現(xiàn)豎向壓應(yīng)變，且唯一頂點(diǎn)位于雙輪輪隙中心處，不同面層層間結(jié)合條件對路基頂面豎向壓應(yīng)變空間分布形態(tài)影響較小。

圖7 路基頂面豎向壓應(yīng)變的空間分布

為進(jìn)一步分析不同面層層間結(jié)合狀態(tài)對路基頂面豎向壓應(yīng)變的影響，繪制路基頂面豎向壓應(yīng)變沿行車方向X=0處分布情況如圖8所示。由圖8可見：雖然面層層間結(jié)合狀況對路基頂面豎向壓應(yīng)變有影響，但由于荷載傳遞到路基的應(yīng)力發(fā)生了擴(kuò)散，在4種工況下路基頂面壓應(yīng)變在荷載作用區(qū)域和輪隙區(qū)域并無突變，路基頂面豎向壓應(yīng)變都呈現(xiàn)下凹“單峰狀”，最大值都分布在雙輪輪隙中心，且從雙輪輪隙中心處向兩側(cè)應(yīng)變值逐漸減少。對于面層層間均完全連續(xù)、上-中面層層間完全滑動、中-下面層層間完全滑動與面層層間均完全滑動的工況，路基頂面豎向壓應(yīng)變最大值分別為-53.61×10-6、-58.9×10-6、-70.65×10-6、-73.02×10-6，相較于瀝青面層層間均完全連續(xù)，上-中面層層間完全滑動、中-下面層完全滑動和面層層間均完全滑動，路基頂面豎向最大壓應(yīng)變分別增大了9.86%、31.8%、36.2%，面層層間完全滑動時更容易出現(xiàn)因路基永久變形而引起的車轍病害，其后依次為中-下面層層間完全滑動、上-中面層層間完全滑動。當(dāng)瀝青面層層間兩個界面均完全滑動時，路基頂面豎向壓應(yīng)變并非上-中面層層間完全滑動與中-下面層層間完全滑動兩者簡單的等權(quán)重線性疊加，中-下面層層間結(jié)合狀態(tài)所造成的不利影響超過上-中面層層間結(jié)合狀態(tài)，工程實(shí)踐中從控制因路基頂面豎向壓應(yīng)變過大而誘發(fā)的車轍病害角度出發(fā)，不僅需要考慮面層層間完全滑動情況，還需重視瀝青中-下面層界面結(jié)合狀態(tài)的改善與提高。

圖8 X=0處路基頂面豎向壓應(yīng)變的分布

7 與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)對比分析

前文已詳細(xì)描述了倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同面層層間結(jié)合條件下瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)結(jié)合文獻(xiàn)[9]、[13]研究成果與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面進(jìn)行比較，分析不同面層層間結(jié)合條件對兩種路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，結(jié)果如表1、2所示。

表1 不同面層層間結(jié)合條件下各路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)變及其位置

由表1可見：對于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在面層層間均完全連續(xù)、上-中面層層間完全滑動、中-下面層層間完全滑動的工況，瀝青混合料層層底最大拉應(yīng)變分別出現(xiàn)在中面層、上面層、中面層，然而倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)，無論何種面層層間結(jié)合狀態(tài)下相對最危險的區(qū)域?yàn)闉r青穩(wěn)定碎石基層，這是由于該結(jié)構(gòu)基層部分為級配碎石，整體剛度低于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)；由表2可見：半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)當(dāng)面層層間均完全連續(xù)、上-中面層層間完全滑動、中-下面層層間完全滑動的工況，無機(jī)結(jié)合料底基層最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在雙輪輪隙中心，其分布規(guī)律與倒裝式瀝青路面在不同面層層間結(jié)合狀況下無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力類似，隨著面層層間出現(xiàn)滑動無機(jī)結(jié)合料底基層拉應(yīng)力不斷增大；綜合表1、2可見：倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在中-下面層層間完全滑動工況時，瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力最大，更易導(dǎo)致路面出現(xiàn)破壞，因此對于這兩種路面結(jié)構(gòu)均需注意中-下面層層間黏結(jié)的增強(qiáng)措施。

表2 不同面層層間結(jié)合條件下各路面結(jié)構(gòu)無機(jī)結(jié)合料底基層最大拉應(yīng)力

8 結(jié)論

考慮4種面層層間結(jié)合狀況對倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響并與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)對比，得到如下結(jié)論：

(1) 瀝青混合料層水平拉應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在瀝青穩(wěn)定碎石基層層底，而并非始終為瀝青下面層層底，面層層間均完全滑動的工況并非上-中面層層間完全滑動與中-下面層完全滑動工況簡單線性疊加。

(2) 瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變，受面層層間滑動的影響排序?yàn)槊鎸訉娱g均完全滑動>中-下面層層間完全滑動>上-中面層層間完全滑動；瀝青混合料層豎向壓應(yīng)力，受面層層間均完全滑動的影響最大，上-中面層層間滑動的影響超過中-下面層層間滑動的影響。

(3) 倒裝式瀝青路面與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在中-下面層層間完全滑動的工況，瀝青混合料層底拉應(yīng)變、無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力最大，在此工況更易出現(xiàn)車轍、疲勞開裂破壞。