層間接觸對瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)分析

金家明

摘要：傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青混凝土路面設(shè)計規(guī)范以層狀彈性體系為基礎(chǔ)，設(shè)計時假定道路各結(jié)構(gòu)層之間的接觸面完全連續(xù)。然而，實際瀝青混凝土路面時多層體系結(jié)構(gòu)，這與我國半剛性基層瀝青混凝土路面設(shè)計規(guī)范中的相應(yīng)規(guī)定不符，因此層間接觸狀態(tài)對瀝青混凝土路面的性能有較大的影響，如果層間接觸不好很容易引發(fā)路面開裂、層間推移等破壞。據(jù)此，利用有限元軟件ANSYS，模擬實際道路模型，分析在勻速情況下，不同的層間接觸條件對瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)。計算結(jié)果表明，層間解除狀態(tài)對最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有較大的影響，宏觀上講，層間接觸狀態(tài)對車轍病害有較大的影響，良好的層間接觸狀態(tài)可以大大降低路面車轍病害的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：半剛性基層；瀝青路面；有限元

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.17.117

0引言

瀝青混凝土路面層間接觸狀態(tài)的好壞對道路的使用性能和服務(wù)壽命有較大的影響。我國現(xiàn)行的半剛性基層瀝青路面設(shè)計規(guī)范以層狀彈性體系為基礎(chǔ)，層狀彈性體系理論假設(shè)瀝青混凝土路面各結(jié)構(gòu)層之間的層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)，因此，設(shè)計時假定道路各結(jié)構(gòu)層之間的接觸面完全連續(xù)。然而，由于施工、設(shè)計等方面技術(shù)不成熟以及實際操作人員的不重視，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層間材料特性差異或者面層的分層鋪筑導(dǎo)致層間接觸往往難以達(dá)到完全連續(xù)。

國內(nèi)外學(xué)者對瀝青混凝土路面的層間接觸條件進(jìn)行了大量的研究。武建民，蘇凱，宋田興等通過對瀝青混凝土路面層間推移破壞進(jìn)行研究分析，得出了層間接觸狀態(tài)對瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)；薛亮，張維剛，梁鴻頡等分別計算分析了不同層間接觸狀態(tài)下的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)，闡述了不良的層間接觸狀態(tài)對瀝青混凝土路面的負(fù)面影響；馮德成，宋宇等則通過層間接觸狀態(tài)對設(shè)計指標(biāo)的影響這一角度來分析層間接觸狀態(tài)對瀝青混凝土路面的影響。

本文針對目前廣泛應(yīng)用的半剛性基層瀝青面層結(jié)構(gòu)，采用有限元方法，分析不同層間接觸狀態(tài)下路面各結(jié)構(gòu)層之間的剪應(yīng)力分布，以期能夠得出層間接觸狀態(tài)對多層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。

1路面結(jié)構(gòu)模型的建立

1.1路面結(jié)構(gòu)和材料

路面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)如表1所示。

1.2荷載的確定

本文采用公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)軸載荷以BZZ-100表示，單軸雙輪組荷載為100kN，輪胎壓力為0.7MPa。

1.3路面結(jié)構(gòu)模型的建立

路面結(jié)構(gòu)模型采用線彈性計算模型8節(jié)點solid45單元進(jìn)行瀝青面層內(nèi)最大剪應(yīng)力分析。長寬分別為5m、10m，土基深度為6m。三維有限元模型的邊界條件假定為：（1）在左右兩側(cè)沒有X方向位移；（2）在底部沒有Z方向位移；（3）在前后兩側(cè)沒有Y方向位移。為了將ANSYS的計算時間減至最小，同時提高計算的準(zhǔn)確性，在輪胎-路面接觸區(qū)域，網(wǎng)格劃分較細(xì)，而在輪胎接地印痕以外的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較粗。分別在x=005325處、x=015975處和x=0213處分析最大拉應(yīng)變隨深度變化的規(guī)律。由計算結(jié)果可以看出，二者計算結(jié)果十分近似，因此，可以認(rèn)為本文選取的瀝青路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型是合理的。

2層間接觸狀態(tài)的確定

我國現(xiàn)有的瀝青路面結(jié)構(gòu)計算中，將瀝青路面結(jié)構(gòu)看成一個整體，這與實際情況不符，在分層鋪筑、分層壓實的路面施工過程中，各結(jié)構(gòu)層之間并不是完全連續(xù)的，是處于完全滑動與完全連續(xù)之間的狀態(tài)。根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)，本文一共考慮四個結(jié)構(gòu)層之間的層間接觸狀態(tài)，即上面層與中面層之間的層間接觸狀態(tài)，中面層與下面層之間的層間接觸狀態(tài)，下面層與基層之間測層間接觸狀態(tài)。在有限元計算時，采用層間結(jié)合系數(shù)f來表征路面層間不同的接觸狀態(tài)，取f分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8。當(dāng)f為0時代表層間完全滑動，當(dāng)f為1時代表層間完全連續(xù)。

3路面的力學(xué)響應(yīng)分析

3.1本文不考慮加速度的影響

假設(shè)車輛勻速行駛，本文以高速公路車轍病害為突破點，因此，采用面層最大剪應(yīng)力和路標(biāo)豎向并行為比較參數(shù)，綜合評價路面結(jié)構(gòu)整體性能。

3.2層間接觸對路面力學(xué)響應(yīng)的影響

本文采用正交設(shè)計的方法，分別計算分析上面層與中面層f1、中面層與下面層f2以及下面層與基層f3之間的接觸狀態(tài)，對這四個層位的接觸狀態(tài)進(jìn)行正交方案設(shè)計，考慮到四個層位的接觸狀態(tài)的交互作用，

由表2的計算結(jié)果可知，一般情況下，最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置一般位于上面層的底部，而當(dāng)f1為0.8時，f2為0.4時，最大剪應(yīng)力最大值的位置由上面層底部轉(zhuǎn)移到中面層底部，即最大剪應(yīng)力最大值的位置發(fā)生了改變。這說明，上面層與中面層之間的層間接觸良好而中面層與下面層之間的層間接觸不良時，中面層底部的最大剪應(yīng)力受到明顯影響，會顯著增大，當(dāng)增大到一定程度，超過上面層底部的最大剪應(yīng)力時，路面潛在的破壞位置也從上面層底部轉(zhuǎn)移到中面層底部。而最大剪應(yīng)力往往是表征車轍病害的參數(shù)，也就是說，層間接觸狀態(tài)對車轍的影響較大。

4結(jié)論

本文利用有限元軟件ANSYS，模擬實際道路模型，分析在勻速情況下，不同的層間接觸條件對瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)。計算結(jié)果表明，層間解除狀態(tài)對最大剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置有較大的影響，宏觀上講，層間接觸狀態(tài)對車轍病害有較大的影響，良好的層間接觸狀態(tài)可以大大降低路面車轍病害的出現(xiàn)。

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