孫曉冬，王禹翔，楊旭

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160）

當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速公路交通迅猛發(fā)展，但高速公路各種病害問(wèn)題也更加凸顯，其中瀝青面層蠕變導(dǎo)致的車轍現(xiàn)象成為高速公路瀝青路面主要病害之一。此病害對(duì)于行車安全與舒適性均會(huì)造成不利影響，并縮短公路服役壽命。因此，公路瀝青蠕變現(xiàn)象受到工程技術(shù)人員與學(xué)者的廣泛關(guān)注。

一些研究人員從理論出發(fā)，根據(jù)瀝青材料粘彈性性質(zhì)，提出根據(jù)粘彈性力學(xué)的本構(gòu)模型，如Kelvin 模型、Maxwell模型、Lethersich模型[1]、Burgers模型[2]。Huang W、Cheng Y 在此基礎(chǔ)上深入研究分別提出了增加單元件數(shù)量的改進(jìn)模型，如廣義Maxwell 模型[3]，廣義Kelvin 模型[4]。但單元件數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增大，為平衡計(jì)算效率與精度，Zhou J[5]等提出了廣義分?jǐn)?shù)階黏彈性模型、Chen S Q[6]提出了冪級(jí)數(shù)模型。李赫[7]利用以上模型分析了不同溫度條件下的瀝青靜態(tài)蠕變和松弛特性；而Jiangfeng Hua 和White Thomas D 等[8-9]認(rèn)為瀝青蠕變符合Norton蠕變規(guī)律。再?gòu)膶?shí)驗(yàn)與數(shù)值研究出發(fā)，包聰靈[10]等利用Norton 蠕變模型和有限元軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了廣東省典型半剛性瀝青路面車轍預(yù)測(cè)模型。上述研究表明，利用Norton 蠕變規(guī)律分析瀝青路面蠕變，已取得了良好成果，為此本文也采用此規(guī)律。但之前研究大多基于二維模型，并不適用于高速公路橋面瀝青面層梁體之間不連續(xù)條件下的蠕變分析。且以往研究對(duì)于橋面瀝青鋪裝蠕變的空間分布情況，以及溫度、時(shí)間對(duì)蠕變影響也少有分析。此外，與常溫地區(qū)相比，高溫地區(qū)橋梁瀝青鋪裝蠕變情況更為嚴(yán)重，因而需要加強(qiáng)此條件下瀝青鋪裝蠕變相關(guān)研究。

為此，本文結(jié)合廣東某高速公路橋梁鋪裝工程實(shí)踐，利用有限元方法建立橋面瀝青鋪裝蠕變?nèi)S仿真模型，分析橋面瀝青鋪裝蠕變的空間分布情況，并研究溫度、時(shí)間對(duì)蠕變的影響，為廣東及類似高溫地區(qū)高速公路橋面瀝青鋪裝的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

廣東某高速公路橋梁工程位于廣州市花都區(qū)，該橋梁所在地區(qū)環(huán)境最高溫度為60℃左右，最低為20℃左右，因而在研究溫度對(duì)瀝青蠕變影響規(guī)律時(shí)，溫度按60℃、40℃和20℃選?。粸r青材料選用AC-13C，瀝青鋪裝層厚度為10cm。

2 計(jì)算模型

2.1 理論模型

Norton 模型認(rèn)為瀝青蠕變是與溫度、應(yīng)力、時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，當(dāng)應(yīng)力保持不變時(shí)，蠕變函數(shù)可寫(xiě)成如式（1）的時(shí)效硬化形式：

表1 瀝青時(shí)效硬化模型參數(shù)

2.2 荷載簡(jiǎn)化

研究時(shí)，將車輪荷載簡(jiǎn)化為雙輪矩形均布荷載，按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范BZZ-100 中的要求進(jìn)行模擬分析，即軸載為100kN，接地壓應(yīng)力為0.7MPa，并且根據(jù)荷載應(yīng)力等效的原則，簡(jiǎn)化荷載模型。

（1）確定荷載

壓應(yīng)力不變?nèi)詾閜=0.7MPa，車輛在BZZ-100 標(biāo)準(zhǔn)中為單軸雙輪，所以單輪荷載P 為100/4=25kN。

（2）確定荷載簡(jiǎn)化尺寸

矩形均布荷載長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為D，則L×D×p=P，設(shè)D=19cm，則L=18.8cm，根據(jù)測(cè)量得輪隙間距為15cm。

通過(guò)以上方法得到雙輪矩形均布荷載尺寸如圖1。

圖1 雙輪矩形均布荷載尺寸

2.3 加載時(shí)間模擬

現(xiàn)實(shí)運(yùn)營(yíng)道路上車輪荷載是長(zhǎng)時(shí)間的、間斷作用的，JiangFeng Hua[8]采用多個(gè)較短作用時(shí)間加載步輪流間斷加載的加載方式，與采用作用時(shí)間等于以上多個(gè)加載步作用時(shí)間總和的單一加載步的加載方式，結(jié)果表明兩種加載方式所產(chǎn)生瀝青蠕變是一致的。對(duì)于荷載累計(jì)作用時(shí)間計(jì)算，馬雪城[9]等研究得到車輛在高速公路以最低速度60km/h 行駛，且在100kN 軸載作用50 萬(wàn)次軸載時(shí)，累計(jì)作用時(shí)間為5115s，本研究也采取以上數(shù)據(jù)進(jìn)行加載時(shí)間的模擬。

2.4 有限元模型

在Abaqus 中建立長(zhǎng)20m，寬3.5m 的單車道橋面模型，瀝青面層厚10cm，采用C3D8 單元，網(wǎng)格近似單元尺寸為0.01m，單元數(shù)為92000 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為188094個(gè)，邊界條件除鋪裝層上表面不施加約束外，其他表面施加與實(shí)際工程一致的各方向的位移約束。工況如下：在使用AC-13C 瀝青下20℃、40℃、60℃橋面端部橫截面蠕變情況。

3 橋面蠕變情況空間分布結(jié)果計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 橋面蠕變空間分布特征

采用AC-13C 瀝青在40℃情況下，瀝青鋪裝橋面端部橫截面蠕變情況如圖2 所示。從圖看出，蠕變車轍橫斷面呈W 狀。沉降最大為14.6mm，中心處受雙輪擠壓引起隆起導(dǎo)致沉降量小于其他處，僅為1.88mm，輪緣外側(cè)也因?yàn)閿D壓引起隆起現(xiàn)象，其他部分蠕變情況微小，端部沉降最大處縱向截面蠕變情況如圖3 所示。

圖2 橋梁端部橫截面蠕變情況

圖3 端部沉降最大處縱向截面蠕變情況

橋梁蠕變分布情況為端部較大，最大為14.6mm 再快速變小過(guò)渡至中間段，中間段較為平緩。在離端部0.2m約為橋長(zhǎng)的1%左右后過(guò)渡進(jìn)入中間不變段，沉降不變段為10.66mm，約為最大沉降處的73.01%。

3.2 溫度對(duì)橋面蠕變的影響

各溫度下橋面端部橫蠕變情況如圖4 所示，蠕變隨溫度升高而增大，20℃與60℃情況下最大沉降分別是5.84mm 與25.95mm，是40℃情況下的最大沉降的40%與178%。

圖4 不同溫度下橫截面蠕變情況

3.3 作用時(shí)間對(duì)橋面蠕變的影響

蠕變隨著時(shí)間變化情況如圖5，從蠕變—時(shí)間圖可看出，在經(jīng)過(guò)50 萬(wàn)次軸載后，此時(shí)蠕變處于塑形流動(dòng)階段。

圖5 AC-13C（40℃）瀝青鋪裝蠕變隨時(shí)間變化情況

由圖5 可知，瀝青鋪裝蠕變?cè)诮?jīng)過(guò)5115s（50 萬(wàn)次軸載）后處于塑形流動(dòng)階段，是經(jīng)過(guò)壓密變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪切變形的瀝青壓實(shí)階段的變形階段，此時(shí)剪切變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓密變形，這是由于瀝青面層本身的剪切強(qiáng)度不足導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

（1）瀝青蠕變與溫度關(guān)系密切，在60℃環(huán)境下，蠕變是40℃的1.6～1.7 倍。在設(shè)計(jì)階段對(duì)于工程當(dāng)?shù)氐臏囟惹闆r對(duì)于后期蠕變影響應(yīng)多加考慮。

（2）蠕變?cè)诙瞬壳闆r明顯，最大蠕變處為中間不變段的1.37 倍，在施工階段更要注意端部的施工質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)于端部施工質(zhì)量控制需加強(qiáng)控制，若出現(xiàn)施工質(zhì)量問(wèn)題，外加端部蠕變情況嚴(yán)重，不利因素的疊加，對(duì)于后期運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生巨大隱患。

（3）蠕變?cè)诮?jīng)過(guò)50 萬(wàn)次軸載的作用后處于塑形流動(dòng)階段，也就是壓實(shí)階段結(jié)束，進(jìn)入剪切變形為主的階段，此階段蠕變變化率較小。通過(guò)此計(jì)算結(jié)果，對(duì)于施工階段而言，需對(duì)瀝青壓實(shí)施工質(zhì)量要求提高，對(duì)于施工壓實(shí)度要求尤其是端部位置可以適當(dāng)增加，以針對(duì)運(yùn)營(yíng)期車轍災(zāi)害問(wèn)題，從施工階段解決緩解，而不是后期花費(fèi)巨大人力物力進(jìn)行維護(hù)，做到事半功倍的效果。并且在經(jīng)過(guò)50 次軸載后，產(chǎn)生了厘米級(jí)蠕變，對(duì)于后期維護(hù)間隔需要減少，運(yùn)營(yíng)期路面變形監(jiān)測(cè)頻率需要增加。