濕度影響下的重載交通瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)

陶澤峰， 錢勁松， 凌建明， 蔡　氧

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

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濕度影響下的重載交通瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)

陶澤峰， 錢勁松， 凌建明， 蔡氧

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

摘要：考慮地下水和雨水入滲的影響，運(yùn)用ABAQUS軟件建立重載交通瀝青路面動(dòng)力分析模型，分析地下水上升和降雨入滲引發(fā)路基濕度變化后的路基動(dòng)態(tài)回彈模量分布規(guī)律，以及三軸雙輪移動(dòng)重載作用下瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng).分析結(jié)果表明，地下水距路基頂面越近，對(duì)路基模量的分布影響也越顯著，降雨入滲與動(dòng)載共同作用處的路基模量折減更明顯；地下水位距路基頂面高度從6 m減至2 m時(shí)，面層層底拉應(yīng)變由70×10-6增至173×10-6；降雨強(qiáng)度增大對(duì)外側(cè)車道處的面層層底拉應(yīng)變影響巨大，對(duì)中間車道的影響較??；降雨天數(shù)增加，兩側(cè)車道的面層層底拉應(yīng)變反而減小，而中間車道的趨勢(shì)相反，拉應(yīng)變隨著降雨天數(shù)增加而增大.

關(guān)鍵詞：道路工程； 動(dòng)力響應(yīng)； 路基濕度； 重載交通

濕度是影響瀝青路面長期性能的重要因素，常見的路面水損壞和路基濕化均與濕度有明顯的關(guān)聯(lián).同時(shí)，受降雨入滲和地下水波動(dòng)影響，路基模量的衰減也將進(jìn)一步導(dǎo)致路面長期性能的衰變，而交通超載更加劇了荷載與水的耦合作用.故濕度不僅直接影響路面應(yīng)力狀態(tài)，而且也會(huì)通過改變路基模量而增大路面響應(yīng)，顯著降低路面的疲勞使用壽命.因此，有必要研究濕度影響下的重載交通瀝青路面動(dòng)力響應(yīng).

國內(nèi)外對(duì)動(dòng)荷載作用下的瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的研究較多[1-3]，而濕度影響瀝青路面的分析多僅從路面自身角度考慮，認(rèn)為路面內(nèi)部的孔隙水壓力是瀝青路面損壞的主要誘因[4-5]，分析了飽水瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng)[6-7]，而忽略了路基路面一體化的前提下，濕度敏感性更強(qiáng)的路基在應(yīng)力與濕度狀態(tài)變化時(shí)導(dǎo)致的路面響應(yīng)及路面破壞.

為此，本文建立了ABAQUS三維有限元模型，運(yùn)用流-固耦合分析類型，結(jié)合考慮濕度的修正路基回彈模量本構(gòu)模型，揭示濕度變化后的路基模量分布規(guī)律，為解釋路基路面一體化前提下的路面動(dòng)力響應(yīng)提供依據(jù).設(shè)置三軸雙輪的移動(dòng)重載，分析重載交通瀝青路面在濕度影響下的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)降雨和地下水位等做影響因素分析.

1三維有限元模型

1.1模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

考慮到公路路基結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取半幅路進(jìn)行分析.路基填高2 m，路面厚度0.66 m，其中瀝青混凝土面層0.16 m，水泥穩(wěn)定基層0.50 m，根據(jù)上海某高速公路設(shè)計(jì)方案，路面材料參數(shù)取值見表1；道路半幅寬12 m，沿行車方向取16 m，中央分隔帶取2 m；路基邊坡坡度比為1∶1；考慮到地下水位埋深，地基深度取8 m.采用ABAQUS通用有限元程序提供的流固耦合單元C3D8P，左右前后邊界分別為橫向固定約束，無水平位移；底部為橫向和豎向固定約束，無水平和垂直位移.

表1　面層、基層動(dòng)態(tài)材料參數(shù)

降雨入滲導(dǎo)致土體孔隙水壓力發(fā)生變化，一方面會(huì)改變土體有效應(yīng)力，另一方面，滲透系數(shù)、孔隙率的變化又反作用于孔隙水的流動(dòng)和壓力的分布.故需要考慮土體內(nèi)部的滲流場和應(yīng)力場之間的相互耦合作用.本文在有限元里設(shè)置滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化關(guān)系，如式(1)所示.

(1)

式中：Kw為土體的滲透系數(shù)；Kws為土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)，取0.018 m·h-1；hs為基質(zhì)吸力；aw，bw，cw為材料參數(shù)，分別取1 000，0.01，1.7.

采用Fredlund&Xing模型描述的土水特征曲線(式2)定義土體的含水量與基質(zhì)吸力的關(guān)系，對(duì)某一現(xiàn)場土樣在不同含水率下的基質(zhì)吸力進(jìn)行參數(shù)擬合，結(jié)果如表2所示，擬合的土水特征曲線如圖1所示.

(2)

式中：θω為體積含水量，%；θs為飽和含水量，%；hs為基質(zhì)吸力，kPa；hr為與剩余含水量對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力，kPa；a,b,c為模型回歸參數(shù).

表2　土水特征曲線擬合參數(shù)

圖1　土水特征曲線

為了更好地模擬路基土回彈行為的應(yīng)力依賴性，考慮側(cè)限力和剪切力的影響，可采用NCHRP1-28A三參數(shù)模型[8]表征路基土的動(dòng)態(tài)回彈模量.對(duì)于不同濕度狀況的模量變化，美國各州公路及交通官員協(xié)會(huì)2002版規(guī)范(AASHTO2002)提出了濕度調(diào)整因子，即用美國聯(lián)邦公路局(FHWA)集成氣候模型(EICM)來預(yù)估路基濕度的季節(jié)性變化，然后相對(duì)于施工時(shí)的濕度狀況調(diào)整.但是此方法是假設(shè)濕度和應(yīng)力狀況相互獨(dú)立，與實(shí)際路基工作狀態(tài)不符.蘭偉等[9]提出在三參數(shù)模型的基礎(chǔ)上引入有效應(yīng)力系數(shù)χw和基質(zhì)吸力φm，建立路基土動(dòng)態(tài)回彈模量與含水量的關(guān)系，基質(zhì)吸力的引入也體現(xiàn)了非飽和土性狀對(duì)關(guān)鍵應(yīng)力狀態(tài)的影響.修正后的模型如下：

(3)

式中：MR為路基土動(dòng)態(tài)回彈模量, MPa；pa為大氣壓力，101 kPa；θ為體應(yīng)力，MPa；τoct為八面體剪切應(yīng)力，MPa；χw為有效應(yīng)力系數(shù)，與(φe/φm)具有高度的相關(guān)性，由式(4)得到；k1，k2，k3為模型參數(shù)，由式(5)得到.

(4)

式中：φe為進(jìn)氣值；φm為基質(zhì)吸力.

(5)

式中：γd/γdmax為壓實(shí)度，其中γd為干密度，γdmax為最大干密度；Ip為路基土的塑性指數(shù)；w為含水率，%；P0.075為土粒料中小于0.075 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù).具體取值通過室內(nèi)試驗(yàn)得到，如表3所示.

表3　路基土基本參數(shù)

1.2車輛荷載形式

車輪與路面的接觸等效為矩形，長邊0.25 m，短邊0.21 m.三軸雙輪的軸載采用超載30%(130 kN)，當(dāng)運(yùn)行速度為80 km·h-1，路面等級(jí)為E時(shí)，動(dòng)荷系數(shù)取為0.71[10].由于標(biāo)準(zhǔn)軸載下靜載輪壓為0.7 MPa，故假設(shè)受力面積不變時(shí)施加的動(dòng)態(tài)輪壓為1.556 1 MPa.為了模擬移動(dòng)重載在路面結(jié)構(gòu)上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)，采用ABAQUS中的DLOAD用戶子程序進(jìn)行二次開發(fā)反映荷載位置隨時(shí)間的變化，三軸雙輪荷載的模擬見圖2.車輛荷載作用區(qū)域分別位于慢車道、快車道和中間車道，可分析不同荷載位置對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響.

圖2　三軸雙輪移動(dòng)荷載

1.3路基濕度影響因素設(shè)置

路基濕度的影響因素主要考慮地下水位和降水入滲.

地下水位考慮5種工況，距路基頂面的距離h分別為2，3，4，5，6 m.地下水位線上的孔隙水壓力為0，以上為負(fù)值，以下則為正值.通過瞬態(tài)分析，不同地下水位情況下路基最終達(dá)到穩(wěn)定的濕度狀態(tài).

根據(jù)潮濕多雨地區(qū)的降雨特點(diǎn)，取10，20，40以及80 mm·d-1這4種降雨強(qiáng)度作為代表值，分別表示小雨、中雨、大雨及暴雨.此外，路面表面層的導(dǎo)水率全部按不透水層設(shè)置.為了比較降雨從邊坡和中央分隔帶入滲對(duì)路基結(jié)構(gòu)的濕度和模量影響，結(jié)合典型的降雨模式，設(shè)計(jì)了表4所列的7種工況.在分析降雨影響時(shí)，選取上、下兩層，豎直間距為1 m，在水平方向，上、下層各取3個(gè)點(diǎn)，水平間距為6 m.點(diǎn)位編號(hào)為X-Y，X為1，2，分別代表上層和下層；Y為1，2，3，分別代表邊坡、路基中部和中央分隔帶區(qū)域.如圖3所示，共取分析點(diǎn)位6個(gè)，覆蓋了邊坡、中央分隔帶和路基中部3個(gè)區(qū)域.

表4　計(jì)算工況選取

圖3　濕度分析點(diǎn)位選取

2計(jì)算結(jié)果及分析

2.1路基模量

地下水位距離路基頂面越近，毛細(xì)水引起的滲流對(duì)路基濕度影響越大，對(duì)路基模量的分布影響也越顯著.圖4給出了不同地下水位高度時(shí)的路基模量分布.可知，當(dāng)h=6 m時(shí)，模量在深度方向基本不變，為66 MPa；當(dāng)2 m

不同的降雨工況下路基受雨水的滲流影響不同，主要體現(xiàn)在降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí).圖5給出了在降雨時(shí)間均為1 d時(shí)，動(dòng)載作用于不同車道時(shí)的路基模量隨降雨強(qiáng)度變化情況.圖6給出了在總降雨量均為80 mm時(shí)，動(dòng)載作用于不同車道時(shí)的路基模量隨降雨歷時(shí)的變化情況.

從水平方向看，靠近路基邊坡區(qū)域(1-1，2-1)和中央分隔帶區(qū)域(1-3，2-3)的模量要明顯低于路基中部區(qū)域(1-2，2-2)，且邊坡區(qū)域模量更小于中央分隔帶區(qū)域；從豎直方向看，在同一截面,路基上部模量高于下部，如圖5a中的1-1,2-1曲線為動(dòng)載作用于慢車道上時(shí)，慢車道下方路基模量與降雨強(qiáng)度的關(guān)系，兩條曲線的在相同降雨強(qiáng)度時(shí)的豎向間距均大于其他曲線的豎向間距，說明了動(dòng)載作用區(qū)域，上層路基與下層路基的模量差值更大，而其他區(qū)域差值?。粓D5b，5c也可得到類似結(jié)論，這是由于動(dòng)載作用車道比其他車道的路基應(yīng)力級(jí)位高，應(yīng)力場和滲流場的相互耦合作用對(duì)模量的折減更為明顯.

在相同降雨時(shí)間內(nèi)，隨著降雨強(qiáng)度的增大，路基模量衰減明顯.降雨強(qiáng)度為10 mm·d-1時(shí)，路基模量衰減5～6 MPa，邊坡下部區(qū)域減小最多；降雨強(qiáng)度大于10 mm·d-1后，邊坡和中央分隔帶區(qū)域模量減小幅度增大；強(qiáng)度為80 mm·d-1時(shí)，降至45～55 MPa，而路基中部的模量衰減不明顯，穩(wěn)定在55～60 MPa之間.

圖4　不同地下水位的路基模量分布

a 慢車道

b 中間車道

c 超車道

a 慢車道

b 中間車道

c 超車道

在相同降雨量下，降雨歷時(shí)越短，降雨滲水更易的邊坡和中央分隔帶區(qū)域模量越小，且衰減較快，而路基中部有罩面隔水，水分需從兩側(cè)水平滲入，故模量較大，衰減較慢.8 d降雨后路基各區(qū)域模量接近，穩(wěn)定于50～60 MPa.

2.2面層層底拉應(yīng)變

面層層底拉應(yīng)變是評(píng)價(jià)瀝青面層疲勞性能的重要指標(biāo)，也是判斷濕度對(duì)路面動(dòng)力響應(yīng)影響大小的依據(jù).地下水升高、降雨由邊坡和中央分隔帶入滲雖不會(huì)直接影響瀝青面層的濕度和變形，但會(huì)通過路基模量和性能的變化間接導(dǎo)致路面受力和變形.圖7繪出了不同地下水高度時(shí)的面層拉應(yīng)變橫向分布.由圖7可知，地下水位距路基頂面高度由6 m減至2 m時(shí)，面層層底最大拉應(yīng)變由70×10-6增至173×10-6，變化范圍接近100×10-6，說明控制地下水位的上升對(duì)于路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變有較明顯的作用；同時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤痪嚯x路基頂面2 m時(shí)，面層底面拉應(yīng)變明顯高于其他高度工況，可結(jié)合圖4解釋原因.圖4中顯示，當(dāng)?shù)叵滤痪嚯x路基頂面大于2 m時(shí)，水位線位于路基底面以下，毛細(xì)水需透過地層進(jìn)入路基，故毛細(xì)水在路基中的滲透作用低，隨水位上升，路基模量變化較小，面層底面拉應(yīng)變?cè)鲩L慢；而當(dāng)?shù)叵滤贿M(jìn)一步提升至2 m時(shí)，水位線已位于路基底面，毛細(xì)水直接侵入路基，上升浸潤作用最為強(qiáng)烈，路基模量衰減劇烈，故面層底面拉應(yīng)變明顯高于別的工況.

圖7　不同地下水位高度時(shí)的面層層底拉應(yīng)變橫向分布

圖8給出了相同降雨時(shí)間(1 d)，不同降雨強(qiáng)度時(shí)面層層底拉應(yīng)變分布.圖9為相同降雨量(80 mm)，不同降雨歷時(shí)下的面層層底拉應(yīng)變橫向分布情況.可以發(fā)現(xiàn)：

(1)當(dāng)降雨時(shí)間均為1 d時(shí)，動(dòng)載作用于兩側(cè)車道時(shí)的面層拉應(yīng)變大于動(dòng)載作用于中間車道的情況.當(dāng)動(dòng)載位于兩側(cè)車道時(shí)，最大拉應(yīng)變高于160×10-6，當(dāng)動(dòng)載位于中間車道時(shí)，最大拉應(yīng)變僅為80×10-6～90×10-6，接近2倍的差值，這是由于1 d短期降雨引起路基濕度分布不均勻，兩側(cè)大而中間小，因此降低了兩側(cè)車道路基模量，進(jìn)而增大了面層層底拉應(yīng)變.

(2)相同降雨時(shí)間，不同降雨強(qiáng)度下的面層底面拉應(yīng)變有很大區(qū)別.降雨強(qiáng)度在80，40，20，10 mm·d-1不同級(jí)位時(shí)，兩側(cè)車道下方的面層底面平均拉應(yīng)變依次為165×10-6，112×10-6，84×10-6和70×10-6；而中間車道下方的面層底面平均拉應(yīng)變變化幅度僅在70×10-6～86×10-6之間，對(duì)比說明降雨強(qiáng)度增大對(duì)兩側(cè)車道處的面層拉應(yīng)變影響巨大，而對(duì)中間車道的影響可基本忽略.

(3)如圖9所示，相同降雨量時(shí)，超車道和慢車道的面層底面拉應(yīng)變隨著降雨天數(shù)增加而減小，而中間車道的趨勢(shì)正好相反，拉應(yīng)變隨著降雨天數(shù)增加而增大.這是由于80 mm降雨量1 d完成，雨水多積聚在邊坡和中央分隔帶區(qū)域，無法入滲至路基中部，導(dǎo)致整個(gè)路基濕度不均勻，所以在車輛荷載作用下道路兩側(cè)的面層拉應(yīng)變更大；而當(dāng)80 mm降雨量在多天完成，平攤到路基兩側(cè)的水分減少，故面層拉應(yīng)變會(huì)減小，而路基中部濕度升高，模量減小，面層拉應(yīng)變反而增大.

a 慢車道

b 中間車道

c 超車道

a 慢車道

b 中間車道

c 超車道

3結(jié)論

(1)不同地下水位高度和不同降雨工況條件下，路基模量分布不同.地下水位越高，路基模量越低，且路基下層模量減小更明顯；降雨入滲和動(dòng)載共同作用區(qū)域的下方路基，模量折減顯著，這是應(yīng)力場和滲流場相互耦合作用的結(jié)果.

(2)地下水位會(huì)導(dǎo)致路面動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生變化.地下水位越高，車輛荷載作用下的面層拉應(yīng)變?cè)酱?控制地下水位的上升對(duì)于減小路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變有較明顯的作用.

(3)相同降雨時(shí)間時(shí)，降雨強(qiáng)度增大對(duì)兩側(cè)車道處的面層層底拉應(yīng)變影響巨大，而對(duì)中間車道的影響較小.相同降雨量時(shí)，降雨天數(shù)增加，兩側(cè)車道的面層層底拉應(yīng)變反而減小，而中間車道的趨勢(shì)相反，拉應(yīng)變隨著降雨天數(shù)增加而增大.

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Dynamic Response of Heavy-Duty Asphalt Pavement Affected by Moisture

TAO Zefeng, QIAN Jingsong, LING Jianming, CAI Yang

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：Taking into consideration the impact of underground water and infiltration, a dynamic analysis model of asphalt pavement under heavy load traffic was established by using ABAQUS. The distribution characteristics of subgrade resilient modulus caused by moisture change resulting from underground water rising and rainfall infiltration was investigated, and the dynamic response of asphalt pavement under heavy load of three-axis with two wheels was analyzed. It is shown that the subgrade resilient modulus is seriously affected when underground water rises, and the reduction is more significant where the subgrade is affected by rainfall and traffic load. The tensile stain at the bottom of surface course increases from 70×10-6to 173×10-6when the distance from underground water to the subgrade top decreases from 6 m to 2 m. Rainfall intensity has a huge effect on the tensile stain at the bottom of the surface course of outside lanes and a smaller effect on that of inside lanes. As rainfall days grow, the tensile stain at the bottom of the surface course of outside lanes declines while that of inside lanes increases which behaves in an opposite way.

Key words：highway engineering; dynamic response; subgrade moisture; heavy load traffic

收稿日期：2015-03-02

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51368058);交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013319223010，2015318822170)

通訊作者：錢勁松(1980—),男,副教授,博士生導(dǎo)師,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)榈缆饭こ?E-mail: qianjs@#edu.cn

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

第一作者： 陶澤峰(1991—),男,博士生,主要研究方向?yàn)槁坊こ?E-mail:tzf199101@126.com