瀝青路面層間接觸狀態(tài)研究進展

冉武平，張 玉，李 爽

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊830047)

0 引 言

國民經(jīng)濟的快速發(fā)展對交通運輸業(yè)尤其是公路工程的要求越來越高，因此對道路結構的性能也提出了更高的要求。路面結構的性能不僅取決于各結構層材料的強度和剛度，還受層間接觸狀態(tài)的顯著影響。研究表明，層間接觸狀態(tài)的變化可能引起路面結構內(nèi)部的應力重分布，黏結力不足可引起瀝青面層的疲勞壽命衰減40%～80%之多。就道路結構而言，層間接觸狀態(tài)對相鄰結構層的應力狀態(tài)影響非常大，由于層間接觸狀態(tài)的演化，甚至可能會使結構層底的壓應力變?yōu)槔瓚?，這將直接影響到結構的疲勞壽命。由此可見，路面結構層的層間黏結雖然僅是整體結構中的一個構造處置層，但卻是影響整個結構的一個重要技術參數(shù)。目前我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范以彈性層狀體系為力學模型，假設路面各結構層界面間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)，而這顯然不符合在役道路層間實際工作狀態(tài)。因此，進一步真實地描述路面結構的層間接觸狀態(tài)有十分重要的意義。

隨著瀝青路面層間接觸研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)目前仍有很多問題沒有得到有效解決：導致層間接觸狀態(tài)發(fā)生變化的原因有哪些，如何進行層間接觸狀態(tài)的演化和特性的表征，用何指標能夠科學準確表征不同的層間接觸狀態(tài)。

1 路面結構層間接觸狀態(tài)研究歷程

關于層間接觸狀態(tài)對道面影響，這一概念最早是在1962年舉行的第一屆瀝青路面結構設計國際會議上提出。M. R. KRUNTCHEVA等[1]在會上提出層間接觸狀態(tài)的變化可改變?yōu)r青路面結構的應力分布，黏結力的下降會影響瀝青路面的承載能力，且層間黏結對剛性基層(水泥混凝土板等)瀝青路面的影響要大于柔性基層瀝青路面。自此，道路結構層間接觸狀態(tài)受到廣泛關注，國內(nèi)外研究學者采用各種方法展開了對道路結構層間接觸狀態(tài)的研究。對于層間接觸狀態(tài)的研究，國內(nèi)外進程較為一致，可以大致劃分為3個階段：認識階段、研究階段、應用階段。其中，認識階段基本為20世紀60至70年代，此階段學者對層間接觸狀態(tài)有了初步的概念認識與分析。20世紀70年代至21世紀初為研究階段，此階段產(chǎn)生了有關層間接觸狀態(tài)的不同研究方法和手段，著手探索不同因素對其產(chǎn)生的影響。進入21世紀，隨著軟件的研究和興起，學者們開始嘗試將層間接觸與軟件應用相結合，在計算軟件中通過各類系數(shù)來表征層間接觸狀態(tài)，進行不同層間接觸狀態(tài)下的力學響應研究。

在國外，最早研究層間黏結問題的是J. UZAH等[2]，他應用BISAR對層間抗剪模量變化時對層間應力應變的影響進行分析。分析表明：層間黏結狀態(tài)從完全連續(xù)到完全滑動的過程中，不同的黏結程度對路面結構的應力應變均有很大的影響。F. A. HASSAN等[3]利用BASAR和有限元程序?qū)β访娼Y構層間接觸進行模擬和分析得出：基層和路基黏結較差會使路面的使用壽命大約減少80%；基層和路基黏結較好時，其他任意層間黏結較差將會導致路面使用壽命減少40%，且水平力對層間強度影響較大。

國內(nèi)研究中，有關層間接觸狀態(tài)的研究最早出現(xiàn)在1989年。關昌余等[4]通過室內(nèi)試驗實測抗剪強度和黏結系數(shù)并分析了黏結系數(shù)的影響因素。此后，道路研究學者們對道路結構層間接觸問題開始關注并進行探究。嚴二虎等[5]在荷載條件下對完全連續(xù)和完全光滑兩種基面層層間接觸狀態(tài)進行分析得出：層間接觸狀態(tài)對路面結構力學響應有著顯著的影響；劉麗[6]對瀝青路面U型開裂破壞進行研究，通過分析層間接觸條件對其影響得出：提高層間的接觸條件可以有效減少瀝青路面的U型開裂破壞；胡小弟等[7]通過實測與數(shù)值模擬靜力分析全面展開對瀝青路面力學行為的研究；董澤蛟等[8-9]借助ABAQUS對三向非均勻移動荷載作用下瀝青路面的三向應變動力響應開展了數(shù)值模擬分析。

2 不同情況下層間接觸狀態(tài)分析及層間接觸狀態(tài)的保持

2.1 不同情況下層間接觸狀態(tài)分析

2.1.1 不同材料層間接觸狀態(tài)的分析

胡耀強等[10]通過ABAQUS分析層間接觸狀態(tài)對應力強度因子的影響。他們認為在瀝青加鋪層結構中主要存在3個接觸面，分別為瀝青加鋪層和應力吸收層接觸(第1界面)、應力吸收層和舊水泥混凝土路面接觸(第2界面)和舊水泥混凝土板與基礎接觸(第3界面)。用層間結合系數(shù)f表征層間結合狀態(tài)：f=0表示完全光滑，f=1表示完全連續(xù)，f=0～1表示部分接觸。保持第3界面f=0.5不變，分析前2個界面接觸狀態(tài)變化對應力強度因子的影響，以1 cm裂縫長度為例，隨著層間接觸狀態(tài)由0～0變化到0～1、1～0和1～1 時，應力強度因子分別減小20.3%、19.1%和25.3%。其中，0～0表示2個界面均光滑，0～1表示第1界面光滑第2界面連續(xù)，1～0表示第1界面連續(xù)第2界面光滑，1～1表示2個界面均連續(xù)。通過研究得出：影響最顯著的層間接觸關系為應力吸收層與舊水泥混凝土路面層間接觸狀態(tài)。

劉富強[11]提出在車輛動荷載單獨作用下和車水耦合作用下，不同基面層之間接觸狀態(tài)與不同軸載對面層畸變能的影響均比較顯著且較為相似。當基面層層間處于不同接觸狀態(tài)時，最大畸變能均出現(xiàn)在路面表面和中面層處。隨著路面結構深度的增加，畸變能會先逐漸減小再逐漸增大(在中面層處出現(xiàn)極大值后一直減小)；當基面層層間處于完全光滑的接觸狀態(tài)時，畸變能在一開始迅速減小后便保持較小的值。

羅要飛等[12]通過研究得出：面層內(nèi)不同層位層間接觸由完全連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒訝顟B(tài)時，上面層層底彎拉應力分別增加 250.63、68.50 kPa，中面層層底彎拉應力分別增加-53.47、379.24 kPa，下面層層底彎拉應力分別增加-7.57、-50.71 kPa，基層層底彎拉應力分別增加3.14、6.29 kPa，底基層層底彎拉應力分別增加14.2、36.7 kPa。由此得出面層層間接觸條件主要影響瀝青層底的彎拉應力，而半剛性基層層底彎拉應力受其影響相對較小的結論。

在探究環(huán)氧瀝青混凝土加鋪層機場道面修建技術中，劉鵬程等[13]得出：相比舊水泥混凝土道面板與基礎之間的接觸狀態(tài)，環(huán)氧瀝青加鋪層與舊水泥混凝土道面板之間的接觸狀態(tài)對舊水泥混凝土道面板底部最大拉應力的影響更顯著。

2.1.2 外界條件對層間接觸狀態(tài)的影響

1)溫度。高溫容易降低瀝青面層抵抗變形的能力、造成瀝青路面車轍，且高溫會造成瀝青面路面層間黏結強度降低，使瀝青面層受到的剪應力增大，使路面產(chǎn)生推移和擁包。研究表明：溫度升高會使路面彎沉增大的同時相應增加路面結構各位置的最大縱向正應變、最大縱向剪應變、最大橫向正應變、最大橫向剪應變[11]。

2)黏結劑的影響。我國JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中規(guī)定：瀝青路面各類基層都必須噴灑透層油，瀝青層必須在透層油完全滲透入基層后方可鋪筑。在噴灑時，一定要把握黏層油的用量。若用量過大，則會在界面上形成較厚油層，降低集料間的嵌鎖和摩擦，造成層間抗剪強度的減小；用量過小則起不到層間黏結作用。

3)水的影響。水分對路面層間接觸的影響十分顯著。由于瀝青路面結構中存在一定的孔隙，水分可以滲入其中，在車輛荷載的作用下易產(chǎn)生高孔隙水壓力，對集料周圍的瀝青黏結料不斷的沖刷，最終使瀝青黏結料從集料周圍脫落，從而出現(xiàn)松散、坑槽等嚴重破壞[14]。

4)垂直壓力。根據(jù)庫倫-摩爾定理可以得出：較大的豎向壓應力會產(chǎn)生較大的摩阻分量，會使層間的抗剪強度增大。

5) 剪切速率。關昌余及其團隊做了大量的實驗，研究得出：剪切速率越大其層間抗剪強度越大，剪切速率與層間抗剪強度呈冪函數(shù)關系[4]。

2.2 層間接觸狀態(tài)的保持

1)在保證基層強度的前提下同時對可能存在浮漿和污染的基層表面進行嚴格的清掃，對基層表面粗糙度不滿足檢驗要求的局部路段進行相應處理。

2)層間撒布透層能夠很好地改善基面層間連續(xù)性，很大程度地提高路面結構的承載能力，消除了病害隱患同時提高了結構體系的連續(xù)性。

3)進行層間處治工作時應嚴格管理施工車輛的通行，進行限速、禁止急剎車管理。

4)在半剛性基層材料中滲入柔性較好的透層材料瀝青，透層瀝青材料的黏韌性相比路面基層有所提高且其具有一定的抗形變能力，這相當于增加柔性材料結構層的厚度，能夠有效提高路面的抗形變能力。

3 層間接觸的研究方法

由于考慮到層間接觸狀態(tài)受環(huán)境影響較為復雜，結合對其表征的困難性，目前對層間接觸狀態(tài)的研究主要是基于試驗手段。依據(jù)試驗手段，能夠較為直觀地看出瀝青路面受層間接觸狀態(tài)的影響。實驗室最常用的評估層間接觸情況的方法是直接剪切試驗。除此之外常用的試驗方法還有直剪、拉拔和扭剪。國內(nèi)外學者根據(jù)各自需求有針對性地自行設計了試驗儀，對瀝青路面的層間接觸進行研究。表1簡單介紹了10種經(jīng)典的試驗情況。

表1 10種經(jīng)典試驗對比Table 1 Comparison of 10 classic experiments

綜上所述，從20世紀60年代初，道路研究學者就已經(jīng)意識到了層間接觸狀態(tài)可能會引起路面力學響應特性的改變，并制作了各種試驗儀器來進行驗證?？梢钥闯?，設計的剪切試驗裝置集中于解決兩個問題：如何在層間界面施加純剪切力；如何使剪切應力分布均勻。盡管在設計裝置時基本都考慮到了這兩個問題，然而在實際情況中，無論試驗設備設計的如何精密，在試驗中都不可避免地會出現(xiàn)應力局部化現(xiàn)象，試件邊緣將發(fā)生應力集中，并逐漸向中心方向減弱。利用剪切試驗裝置，我們可以對瀝青路面層間受不同溫度、剪切速度、豎向壓力、黏層油含量、材料性質(zhì)的差異等因素進行分析，容易得出各個因素對層間接觸影響的程度和趨勢，但得到的數(shù)值往往有較大誤差，很難判斷出各種因素對路面結構的力學響應有多大。所以如何將實際試驗與理論分析進行對應，由定性分析轉(zhuǎn)向更深層次的定量分析，成為試驗分析中需要進一步考慮的問題。

在所列舉的試驗裝置中，試件常采用圓柱形試件，如編號為①、④、⑥、⑦、⑧試驗裝置中均采用圓柱形試件。編號②試驗裝置中試樣為再生混凝土骨料(RCA)、破碎磚(CB)和再生瀝青路面(RAP)，編號③裝置采用簡單的梁形試件，編號⑤、⑨、⑩試驗裝置中所用試件均為棱柱形試件。其中編號⑩裝置所采用芯樣一般為有裂縫或非連續(xù)界面的巖體，剪切試驗使用的便攜式剪切儀主要用于在現(xiàn)場或?qū)嶒炇覝y試巖石試樣的剪切強度。

A.H.DE.BONDT的四點純剪試驗中，使用頻率為8 Hz的連續(xù)正弦信號(無休息期)進行負荷控制的循環(huán)試驗。E. DONOVAN設計的夾具，當用作模擬與地質(zhì)覆蓋的混凝土橋面板的夾層時，允許在地質(zhì)復合膜界面處應用循環(huán)剪切載荷。動態(tài)試驗裝置得到的結果更為連續(xù)與精確。

崔鵬等[20]通過對水平液壓活塞對上蓋施加水平力，再由鋼繩傳到剪切盒上，由一個垂直液壓活塞來施加豎向荷載。垂直加載系統(tǒng)還配備了壓力補償器，可補償試樣發(fā)生水平位移后使剪切面膨脹產(chǎn)生的垂直荷載的變化，使其保持恒定。試件經(jīng)受馬歇爾擊實的一面，可以模擬經(jīng)過刨銑的舊瀝青路面，與新水泥混凝土結合。因此采用直徑為10 cm的馬歇爾試件來制作圓柱形復合試件，將試件切去一半放入馬歇爾試模中，再澆注水泥混凝土形成復合試件，試件成型較為巧妙。

依據(jù)各試驗原理及其裝置，推薦了研究者們根據(jù)其試驗目的可參考的實驗裝置。當研究者想要評價瀝青混凝土層間的相互作用時可借鑒M. CRISPINO設計的動態(tài)試驗裝置；測量層間抗剪特性時，可參考直接剪切儀、便攜剪切儀或DST；在研究黏結層疲勞特性時，可使用DST進行試驗評估；重點測試層間黏結效應或評估黏結層有效性時，可參考TCED、LBISD、ASTRA、LPDS或胡力群設計的層間剪切試驗夾具。根據(jù)其試驗目的合理選擇實驗裝置方便對試驗進行有針對性的設計。

4 層間接觸的表征

對于層間狀態(tài)表征，一般只假定完全連續(xù)或完全滑動兩種絕對狀態(tài)，我國瀝青路面施工技術規(guī)范中對層間連接狀態(tài)評價未形成完善體系，在實際施工中由于材料、工序、人為、自然因素、荷載等原因，導致半剛性基層和瀝青面層之間并不能夠達到完全的連續(xù)接觸，界面上的應變、應變不能夠?qū)崿F(xiàn)完全協(xié)調(diào)，使得接觸不連續(xù)甚至產(chǎn)生滑動。如何準確測定這種中間狀態(tài)的層間接觸并通過定量分析進行界定和表征就顯得尤為重要，表征指標已然成為試驗與理論之間的橋梁。目前表征主要從模量和系數(shù)兩個方面入手，表2歸納總結了目前常用的7種層間接觸狀態(tài)的表征形式。

表2 7種層間接觸的表征形式Table 2 The characterization form of seven kinds of interlayer contact

可以看出，不同表征形式采用了不同的表征指標，各指標對于層間接觸狀態(tài)的界定也不盡相同。

1)采用層間黏結系數(shù)k來界定接觸情況時，k=0表示層間完全光滑；k=1表示層間完全連續(xù)；層間處于半連續(xù)光滑狀態(tài)時，0

2)在關昌余的研究模型中，式中τzri=τzri+1分別代表在第i個層間接觸面上、下兩層之間的剪應力，ui+1和ui則分別代表同一點上、下兩層位移值，ki即為全界面的層間抗模量。這種表征方式借鑒了黏結系數(shù)k的原理。

3)黏結層失效系數(shù)TFR是指上層瀝青層的估算模量與下層瀝青層的估算模量的比值，當TFR=1，表示層間完全接觸；當TFR=0，表示層間完全不連續(xù)。這種表征方式可通過分析不同結構層的剛度模量簡單直觀地判斷層間接觸的好壞，但其缺點是沒有上升到理論層面。

4)薛亮通過定義層間滑移系數(shù)α來模擬層間結合條件時，理論中當α=0表示完全結合；當α=1表示完全自由；實際參數(shù)定義時當α=0.99時就視其為完全滑移，所以滑移系數(shù)在分析參數(shù)中的取值范圍定義為0～0.99?；葡禂?shù)α優(yōu)點在于可以定量的研究層間不同滑移條件下瀝青路面結構力學響應，能夠用于評價實際工程中路面結構層層間接觸的優(yōu)良程度，但還是沒有上升到理論層面。

5)馮德成定義的計算模型中，λk為層間黏結系數(shù)不同時計算所得的路面設計指標值；λs和λc分別代表路面結構中面層與基層間完全滑動和連續(xù)狀態(tài)下計算得到的路面設計指標值。通過引入層間黏性百分率β來表征實際路面半結合狀態(tài)下計算所得的設計指標值與按層間完全連續(xù)與完全滑動計算值的關系。

6)柳浩將層間狀態(tài)用柔量系數(shù)ALK來表征，簡化柔量系數(shù)ALK是在抗剪系數(shù)的基礎上提出來的。此研究優(yōu)點在于運用ALK研究不同計算點位對層間接觸的差異性，當ALK>18時基層和面層相對位移出現(xiàn)迅速增長，越靠近車輪作用中心位置層間結合狀態(tài)對應力突變的影響越大。缺點是運用彈性理論體系，與實際的層間接觸狀態(tài)存在差異性。研究認為，當ALK為荷載作用半徑δ的100倍(即ALK/δ=100時，可認為層間為完全光滑；當ALK=0時，則認為層間完全連續(xù)。

BISAR中關于層間接觸狀態(tài)的界定有3種形式：標準剪切彈簧柔度Cs；層間摩擦參數(shù)α；減縮剪切彈簧柔度Cr。在這3種表現(xiàn)形式中，Cs的物理意義即為表2中的AK，其值等于層間黏結系數(shù)k的倒數(shù)。Cr的物理意義與表2中簡化柔量系數(shù)ALK一致。所以，當采用BISAR計算軟件時，選用系數(shù)AK或ALK較為便捷，不需換算即可使用。

為了方便快捷地測定路面的滑移程度，推薦采用李東華提出的黏結層失效系數(shù)(TFR)或者薛亮提出的層間滑移系數(shù)α來進行表征。這兩種方法中參數(shù)較少，方便測量。當試驗中需要測得位移時，表征參數(shù)可選用層間黏結系數(shù)、彈簧柔度或?qū)娱g簡化柔量系數(shù)。

5 層間接觸在鋪面結構中的應用

在鋪面結構中，層間接觸狀態(tài)主要應用于BISAR、ANSYS和ABAQUS等軟件，都通過輸入選取的參數(shù)來表征不同層間接觸狀態(tài)，進而研究考慮層間接觸狀態(tài)的路面結構力學響應分析。不同的是，BISAR只能分析靜力作用下路面結構的力學響應，無法獲得移動荷載作用下路面結構的力學響應，而ANSYS和ABAQUS還包括動態(tài)分析，可以給出在移動荷載作用下的力學響應。

BISAR計算中一般假定所有結構層間黏結都非常好，但可通過引入AK或ALK來表征層間滑動(部分或完全)。BISAR中的剪切彈性柔量并不是經(jīng)典的摩擦系數(shù)，它不僅在動態(tài)和靜態(tài)條件下取值不同，還取決于外加荷載的直徑。ANSYS和ABAQUS關于層間接觸的表征較為相似。其中，ANSYS通過定義材料屬性時設置層間摩擦系數(shù)MU，在模型單元特性中設置參數(shù)給定綁定接觸行為；ABAQUS通過輸入摩擦系數(shù)μ來提供摩擦特性，定義包括接觸面之間的法向作用和切向作用兩部分接觸屬性。

朱俊等[26]采用BISAR建立力學計算模型得出：路表彎沉、面層層底拉應力和面層剪應力等路面力學響應隨著路面層間狀態(tài)的失效而趨于不利的受力狀態(tài)，并建議層間剪應力應作為控制指標或驗算指標在路面設計中予以體現(xiàn)。張久鵬等[27]在BISAR中運用剪切彈性柔量表征層間的接觸狀態(tài)，當瀝青基面層間處于連續(xù)狀態(tài)時，瀝青面層以受壓為主，當層間界面條件轉(zhuǎn)化為滑動狀態(tài)時，結構的整體受拉范圍已擴展到中面層，且基面層間拉應力出現(xiàn)很大的突變，受力狀態(tài)趨向不利。趙孝輝[28]采用ANSYS對考慮層間接觸狀態(tài)的瀝青路面進行了數(shù)值模擬，對比接觸模型和連續(xù)模型瀝青路面結構層力學響應結果可以看出接觸模型的受力情況與實際路面較為符合。通過模擬不同層間接觸狀態(tài)下瀝青路面結構接觸模型的力學響應得到：接觸不良會顯著提高路面彎沉、層底最大主應力和最大剪應力，對瀝青路面各項指標均有較大影響。

綜上所述，層間接觸在鋪面結構中的應用較為成熟，可以看出是否考慮層間接觸狀態(tài)對道路響應影響顯著。但對其表征仍不明確，目前仍停留在經(jīng)驗上，ABAQUS中常取摩擦系數(shù)為0.5來表征接觸，用以對比完全連續(xù)和完全接觸模型。對比不同層間接觸狀態(tài)時，常選取摩擦系數(shù)為0.3、0.5、0.7等值來研究力學響應。ANSYS中的摩擦系數(shù)也沒有明確的推薦取值，莫熊等[29]在考慮層間黏結狀態(tài)的大厚度半剛性基層瀝青路面結構有限元分析模型中，分別取摩擦系數(shù)為0、2、4、6、8、10、12來表征上下基層間的黏結狀態(tài)。用參數(shù)來表征層間接觸狀態(tài)是較為簡單，但僅用一個參數(shù)是否能表征復雜的層間接觸狀態(tài)仍有待考究。

6 結 論

縱觀目前關于層間接觸狀態(tài)的研究現(xiàn)狀可知該領域的研究方向主要圍繞影響層間接觸的因素、如何測定不同層間接觸狀態(tài)下路面的力學響應開展，試驗中通常直接給定不同溫度、荷載、有無透層油等條件，來判定各個因素對層間接觸的影響并進行表征。這些因素雖然具有較強的廣泛適用性，但對于條件不同的地域環(huán)境，不具有代表性。近些年來隨著國家以建設“絲綢之路經(jīng)濟帶”等經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的出臺和大力推進，將全面展開對中西部地區(qū)以公路為代表的基礎設施建設。這將極大提升和改善中西部地區(qū)的交通狀況。但同時由于這些地區(qū)氣候環(huán)境復雜，鹽漬化嚴重，故在水、溫、鹽漬化的特殊服役環(huán)境下，瀝青道路出現(xiàn)諸多病害，因此如何解決以鹽漬化為主導因素影響下的瀝青路面層間接觸狀態(tài)成為鹽漬化地區(qū)道路建設和科研人員亟待解決的學術和工程問題。

有關路面層間接觸狀態(tài)研究的問題與展望如下：

1)目前對瀝青道路性能問題的研究主要圍繞路基結構強度、變形以及路面材料力學性能衰變規(guī)律開展，而對影響路面結構力學行為的路基路面不協(xié)調(diào)變形、層間接觸狀態(tài)特性、演變規(guī)律以及路面結構損傷機理及表達，尚缺乏系統(tǒng)、完善的研究。

2)荷載、溫度、水鹽等多場耦合作用下層間演變規(guī)律與特性的演變過程及其表征。

3)對層間接觸狀態(tài)研究的最終目標是構建路面結構接觸效應的表征模型和接觸狀態(tài)演變的力學行為方程，實現(xiàn)多尺度的路面結構性能損傷機理感知以及路面結構損傷行為的合理表達，從而對層間接觸有更深的理解。

4)研制新型試驗設備，將試驗和數(shù)值模擬無縫對接、準確表征并驗證。