中、下面層局部全脫空對三層結(jié)構(gòu)面層的瀝青路面受力影響*

宋朝林，寧金成

(1. 三門峽市公路局設(shè)計院，河南 三門峽 472000； 2. 河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450005)

中、下面層局部全脫空對三層結(jié)構(gòu)面層的瀝青路面受力影響*

宋朝林1，寧金成2

(1. 三門峽市公路局設(shè)計院，河南 三門峽 472000； 2. 河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450005)

采用3層結(jié)構(gòu)的瀝青路面典型結(jié)構(gòu)，針對中面層與下面層局部全脫空的情形，考慮荷載作用在脫空中部以及邊緣兩種不同的荷載作用位置，利用有限元方法，建立全黏結(jié)、局部全脫空的對比模型，計算研究豎向荷載作用下不同層間接觸狀態(tài)的瀝青路面各層的彎沉、剪應(yīng)力與彎拉應(yīng)力，并對比不同荷載作用位置對各層力學(xué)響應(yīng)的影響。研究表明：局部全脫空對面層相應(yīng)的影響不可忽略。

道路工程；瀝青路面；面層；基層；局部脫空

在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計計算時，假定面層間相互作用為連續(xù)狀態(tài)。而通過道路現(xiàn)場取芯及道路投入使用后續(xù)調(diào)查結(jié)果表明：瀝青路面實際層間狀態(tài)往往偏離設(shè)計中的層間連續(xù)狀態(tài)。瀝青面層間出現(xiàn)脫空是一種常見現(xiàn)象[1-3]。局部脫空會加速瀝青路面破壞，嚴(yán)重影響路面使用壽命，全面把握面層局部脫空對瀝青路面影響，對進(jìn)一步揭示瀝青路面破壞機(jī)理有重要意義。

近年來，層間黏結(jié)狀態(tài)變化對瀝青路面各層受力影響已經(jīng)引起學(xué)者們的關(guān)注[4-5]。現(xiàn)有研究多考慮層間黏結(jié)狀態(tài)整體變化情況，即假設(shè)整個路面結(jié)構(gòu)中層間黏結(jié)狀態(tài)完全一致[6-7]。其中對半剛性基層瀝青路面層間處于完全連續(xù)或完全滑動狀態(tài)條件下路面各層受力分析涉及較多[6-8]。由于層間處于完全連續(xù)和完全滑動只是兩種理想狀態(tài)，許多研究者也開始關(guān)注層間處于半連續(xù)半滑動狀態(tài)時的受力響應(yīng)。但實際路面使用過程中，很少存在整個路面層間黏結(jié)狀態(tài)同時發(fā)生變化的情況[9-10]。瀝青路面層間黏結(jié)狀態(tài)變化是一個衰變過程，層間黏結(jié)失效往往是從一個小范圍內(nèi)開始逐漸變化的，隨著損傷積累，層間黏結(jié)效果越來越差，層間黏結(jié)狀態(tài)變化區(qū)域也越來越大，并逐步演變成路面的早期病害。有學(xué)者已研究了瀝青路面層間脫空區(qū)積水結(jié)冰后對面層的影響[9]，但鮮有涉及瀝青路面面層局部脫空對路面的影響。瀝青路面在面層局部脫空下使用，其受力狀態(tài)和理想狀態(tài)間的差異性以及在該狀態(tài)下工作路面的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，尚缺乏細(xì)化研究。

筆者采用典型瀝青路面結(jié)構(gòu)，假設(shè)中下面層局部脫空狀況，考慮荷載作用在脫空中部以及邊緣兩種不同荷載作用位置，采用有限元方法，建立瀝青路面層間脫空模型，分析連續(xù)狀態(tài)和脫空狀態(tài)下路面各層的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，并對比中面層局部脫空對路面各層的影響。

1 力學(xué)模型建立

筆者利用ANSYS有限元計算程序，建立三維模型，并對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了計算。

1.1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

采用典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，研究對象由細(xì)粒式瀝青混凝土上面層、中粒式瀝青混凝土中面層、瀝青碎石下面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、二灰土底基層、土基等組成，所選取瀝青路面材料參數(shù)見表1。

表1 計算模型參數(shù)Table 1 Calculation model parameters

1.2 模型尺寸選擇和計算假定

采用有限元分析時，無法將模型尺寸取為無窮大，只能在建立模型時盡量將模型尺寸取得大一些；但尺寸過大，則會大大增加計算工作量。因此，應(yīng)確定合理的計算模型尺寸，使其在保證計算精度同時，又不增加過多計算工作量。為了保證模型尺寸能較好地反映路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合前人計算經(jīng)驗[11]，筆者取路面平面方向尺寸為：沿路面縱向長度取4 m，橫向?qū)挾热? m?？臻g坐標(biāo)的X軸為路面橫向，Y軸為深度方向，Z軸為行車方向。

單個輪胎接地尺寸為0.2 m×0.2 m，而脫空部分不能大于輪胎接底尺寸太多(根據(jù)彈性理論圣維南原理，若脫空部分過大，則計算結(jié)果將接近于層間全脫空)，綜合考慮，筆者選取脫空部分的尺寸為0.8 m×0.8 m。

邊界條件施加方式為：土基底面施加所有自由度約束。對瀝青路面結(jié)構(gòu)基層、底基層、土基和面層四周的側(cè)面進(jìn)行邊界約束時，其中X軸、Y軸垂直平面上施加X、Y方向的全約束，Z軸垂直平面上施加Z方向全約束。

1.3 荷載參數(shù)選取和工況設(shè)定

筆者只考慮一個輪胎接觸面，所以在0.2 m×0.2 m范圍內(nèi)施加25 kN的荷載。在單個輪胎接地范圍內(nèi)有9個節(jié)點，需要將25 kN的力均分到每個節(jié)點上，這樣每個節(jié)點施加的力為2 777.7 N。模型及荷載示意如圖1。

圖1 模型及荷載示意Fig.1 Model and load diagram

筆者考慮了兩種荷載工況：① 豎向荷載作用在脫空中部；② 豎向荷載作用在脫空邊緣。

1.4 網(wǎng)絡(luò)劃分與單元選取

為保證計算精度，筆者采用精度較高的六面體單元 solid 65來模擬瀝青路面的上面層、中面層下面層和基層；采用四面體單元solid 92來模擬底基層和土基。綜合考慮計算效率和計算精確度，六面體單元solid 65采用精度較高的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，四面體單元solid 92采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2 脫空中部連續(xù)、脫空狀態(tài)對比分析

豎向荷載作用在模型的脫空中部，分別計算連續(xù)狀態(tài)和脫空狀態(tài)(中面層和下面層局部脫空)下的力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而對比中面層局部脫空狀態(tài)下對上面層、中面層、下面層的影響。

2.1 對上面層影響

根據(jù)連續(xù)狀態(tài)和脫空狀態(tài)的上面層彎沉值和上面層XY方向剪切應(yīng)力值如表2。

由表2可知：當(dāng)荷載作用在中面層局部脫空中部，局部脫空后，上面層彎沉值增大了9.7%；上面層剪切應(yīng)力增加了14.2%。進(jìn)一步比較連續(xù)狀態(tài)與脫空狀態(tài)上面層層底彎拉應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：脫空后，上面層層底彎拉應(yīng)力峰值變化不明顯，彎拉應(yīng)力分布規(guī)律也基本相同。

表2 上面層彎沉值及剪切應(yīng)力最大值Table 2 Deflection value and maximum shear stress valueof upper surface layers

2.2 對中面層影響

對比連續(xù)狀態(tài)和脫空狀態(tài)中面層的彎沉值和中面層的層底彎拉應(yīng)力，得表3。

由表3可知：中面層局部脫空后，較連續(xù)狀態(tài)，中面層本身的彎沉值增加了4.5%；值得關(guān)注的是：脫空后，中面層的層底彎拉應(yīng)力有大幅度增加，比連續(xù)狀態(tài)下增大了3.8倍。

通過對比連續(xù)狀態(tài)與脫空狀態(tài)下中面層XY方向剪切應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：脫空后中面層剪切應(yīng)力數(shù)值變化很小，脫空對剪切應(yīng)力分布有影響，但影響范圍和量值均不顯著。

表3 中面層彎沉值及層底彎拉應(yīng)力最大值Table 3 Deflection value of the middle layer and the maximumvalue of the bending tensile stress at the bottom of the layer

2.3 對下面層影響

根據(jù)連續(xù)狀態(tài)和脫空狀態(tài)下的下面層彎沉值和下面層XY方向剪切應(yīng)力，如表4。

由表4可知：中面層局部脫空后，下面層彎沉值增大了2.5%；下面層剪切應(yīng)力增加了18.3%。對比下面層的層底彎拉應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：下面層的層底彎拉應(yīng)力最大值卻有所減小。

表4 下面層彎沉值及剪切應(yīng)力最大值Table 4 Deflection value and maximum shear stress valueof lower surface layers

3 脫空中部、邊緣對比分析

將豎向荷載加載位置作用在脫空部分中部和邊緣，通過兩種狀態(tài)力學(xué)指標(biāo)對比，進(jìn)而研究哪種狀態(tài)受力更為不利。

3.1 對上面層影響

根據(jù)豎向荷載作用到脫空中部和邊緣情況下的上面層彎沉值，層間XY方向剪切應(yīng)力和上面層的層底彎拉應(yīng)力，見表5。

表5 上面層彎沉值、剪切應(yīng)力最大值及層底彎拉應(yīng)力最大值Table 5 Deflection value and maximum shear stress value of uppersurface layers and maximum tensile stress at the bottom of the layer

由表5可知：在荷載作用位置不同，而大小相同的情況下，作用到脫空中部位置比邊緣位置上面層的彎沉值要大13.6%，即在荷載作用到脫空中部有最大彎沉值。通過對比脫空狀態(tài)下豎向荷載作用到脫空中部和邊緣中面層XY方向剪切應(yīng)力云圖，得出作用到脫空邊緣時，剪切應(yīng)力影響范圍擴(kuò)展較多，但最大值還是較脫空中部小。兩者均是在輪載范圍內(nèi)影響大，遠(yuǎn)處則是低剪切區(qū)，可見在所建路面模型的尺寸邊緣及更遠(yuǎn)處，車輛荷載效應(yīng)已經(jīng)較不明顯。

通過數(shù)據(jù)對比分析，在作用位置不相同，荷載大小相同的情況下，作用到脫空中部位置比邊緣位置上面層的剪切應(yīng)力增大了27.6%。通過對比脫空狀態(tài)下豎向荷載作用到脫空中部和邊緣上面層層底彎拉應(yīng)力云圖分析得到：作用到脫空邊緣位置時，兩種情況下的層底彎拉應(yīng)力均分布在輪載范圍，較遠(yuǎn)處均為壓應(yīng)力。通過數(shù)據(jù)對比分析，在作用位置不相同，荷載大小相同的情況下，作用到脫空中部位置比邊緣位置上面層層底彎拉應(yīng)力增大了39.1%。3項力學(xué)指標(biāo)都有所增加。

3.2 對中面層影響

根據(jù)豎向荷載作用在脫空中部和脫空邊緣中面層彎沉值，中面層XY方向剪切應(yīng)力的云圖及中面層層底彎拉應(yīng)力如表6。

表6 中面層彎沉值、剪切應(yīng)力最大值及層底彎拉應(yīng)力最大值Table 6 Deflection value and maximum shear stress value of middlesurface layers and maximum tensile stress at the bottom of the layer

由表6可知：荷載作用在脫空中部位置比邊緣位置中面層的彎沉值要大13.7%，即在荷載作用到脫空中部有最大彎沉值。

荷載作用在脫空邊緣位置比中部位置對剪切應(yīng)力影響范圍要小，且更集中于一側(cè)，而作用在脫空中部位置剪切應(yīng)力影響范圍集中在輪載中心左右兩側(cè)；作用到脫空中部位置比邊緣位置中面層的剪切應(yīng)力增大了34.2%。

通過中面層層底彎拉應(yīng)力對比，得出作用到脫空邊緣位置時，對層底彎拉應(yīng)力影響范圍相對變大，但最大值較小。

通過表6對比分析：在作用位置不相同，荷載大小相同的情況下，作用到脫空中部位置比邊緣位置中面層層底彎拉應(yīng)力增大了6.5倍，有大幅度增加，說明作用在中面層層底有較大彎拉應(yīng)力。

3.3 對下面層影響

根據(jù)豎向荷載作用到脫空中部和邊緣的下面層彎沉值，下面層XY方向剪切應(yīng)力及下面層層底彎拉應(yīng)力如表7。

表7 下面層彎沉值、剪切應(yīng)力最大值及層底彎拉應(yīng)力最大值Table 7 Deflection value and maximum shear stress value of lowersurface layers and maximum tensile stress at the bottom of the layer

荷載作用在脫空中部位置比邊緣位置下面層的彎沉值要大13.2%。荷載作用在脫空中部時，下面層XY方向剪切應(yīng)力集中分布在輪載附近，且剪切應(yīng)力值較大，比荷載作用在脫空邊緣位置時的下面層的剪切應(yīng)力增加了1.1倍。

通過下面層層底彎拉應(yīng)力對比可知：兩種情況下，彎拉應(yīng)力都集中在輪載范圍四周，遠(yuǎn)處則是壓應(yīng)力；作用到脫空中部位置比作用到脫空邊緣位置下面層層底彎拉應(yīng)力增大了40.3%。

4 結(jié) 語

針對瀝青路面出現(xiàn)中面層和下面層局部脫空的計算表明：中面層局部脫空后，3個面層彎沉值都有增加，增幅約5%，彎沉值增加不顯著；但上面層和下面層剪切應(yīng)力有20%左右增幅，增長較大；上面層層底彎拉應(yīng)力增大30%左右，中面層層底拉應(yīng)力增大了約5倍，下面層層底彎拉應(yīng)力變化小。在脫空狀態(tài)下，荷載作用到脫空中部位置對各面層的影響要大于荷載作用到脫空邊緣位置。

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Influence of Complete Local Void in Middle and Lower Surface Layerson the Stress of Three-Layer Asphalt Pavement Surface

SONG Chaolin1，NING Jincheng2

(1. Sanmenxia Road Bureau Designing Institute，Sanmenxia 472000，Henan，P. R. China; 2. Henan College of Transportation，Zhengzhou 450005，Henan，P. R. China)

Typical structure of asphalt pavement with 3 layer structure was adopted. Aimed at the situation of complete local void of middle and lower surface layer，the comparison model between full bond and complete local void was established by the finite element method，considering the load acting on two different load positions，that is，the middle and the edge of the void. The deflection，shear stress and bending tensile stress of each layer of asphalt pavement with different contact conditions under vertical load were calculated and studied，and the influence of different load positions on the mechanical response of each layer was compared. The study shows that the influence of complete local void on the surface layer can’t be neglected.

road engineering; asphalt pavement; surface layer; basic layer; local void

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.08

2016-09-22；

2016-12-02 第一作者：宋朝林(1966—)，男，河南陜縣人，高級工程師，主要從事道路橋梁設(shè)計方面的工作。E-mail：1511694312@qq.com。 通信作者：寧金成(1967—)，男，河南項城人，教授，碩士，主要從事道路橋梁設(shè)計方面的研究。E-mail：zznjc@163.com。

U416.21

A

1674-0696(2017)12-043-04

劉韜)