不同結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)下路面的應(yīng)力響應(yīng)分析

陶國(guó)星

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)不斷完善，人們出行時(shí)，交通越來越便利，公路的建設(shè)帶來了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，基本上做到了村村通公路，截至到2019年底我國(guó)公路里程數(shù)量為501.25萬(wàn)km，相比2010年公路總里程增加了25%，然而現(xiàn)有的公路在設(shè)計(jì)年限內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的損壞，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，利用計(jì)算分析軟件，分析路面內(nèi)部的應(yīng)力特點(diǎn)，為路面后期的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 研究背景以及意義

蔡大線在蔡甸區(qū)公路系統(tǒng)中是通往城區(qū)的主要干道，位于武漢市蔡甸區(qū)南部，京珠高速以西。蔡大線起于蔡甸城關(guān)與省道蔡城線連接，止于大集街的天鵝湖路，是連接蔡甸城關(guān)與后官湖生態(tài)新區(qū)的主要公路。

為及時(shí)了解和準(zhǔn)確掌握蔡大線路面技術(shù)狀況，提高養(yǎng)護(hù)管理決策的科學(xué)性，利用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備對(duì)路面技術(shù)狀況進(jìn)行了自動(dòng)化檢測(cè)，利用Cics多功能路況檢測(cè)車在不影響正常交通的情況下一次性完成路面損壞狀況、路面平整度、路面車轍等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn)工作。采用丹麥生產(chǎn)的Dynatest8000落錘式彎沉儀完成了路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 技術(shù)狀況評(píng)定各指標(biāo)匯總

表1中PCI為路面損壞狀況指數(shù)，RQI為路面行駛質(zhì)量指數(shù)、RDI為路面車轍深度指數(shù)、PWI抗滑性能指數(shù)、PBI為路面跳車指數(shù)、PSSI為路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，路面破損狀況和路面車轍深度兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)為良，其他技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)為優(yōu)，路面破損狀況指數(shù)PCI的值相比其他技術(shù)指標(biāo)值相對(duì)較低。根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG 5421—2018中的規(guī)定，一級(jí)公路路面破損狀況指數(shù)PCI<85時(shí)，應(yīng)該采取修復(fù)性養(yǎng)護(hù)的方式。為了提升路面質(zhì)量，提高路面服務(wù)水平，提高路面破損狀況指數(shù)PCI，在確定針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)方案之前，需要研究路面損壞的根本原因，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)路面損壞部位進(jìn)行了鉆孔取芯，鉆芯取樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)取芯的情況如表2所示。

表2 鉆芯取樣一覽表

由表2可知，鉆孔取芯的結(jié)果，瀝青混凝土面層、水穩(wěn)上基層、水穩(wěn)下基層之間多處于分離的狀態(tài)，路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層之間不能形成良好的整體，超載和層間接觸比較差給路面造成了嚴(yán)重的損壞[1]。為了研究路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層層間層間接觸狀態(tài)的改變，路面內(nèi)部應(yīng)力的變化規(guī)律，后續(xù)將借助BISAR3.0軟件從力學(xué)的角度分析路面在不同工況下的應(yīng)力響應(yīng)。

2 彈性層狀連續(xù)體系理論

到目前為止，為了設(shè)計(jì)和分析瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度，但是均需假設(shè)路面材料為同向異性，采用彈性分層體系理論。路面結(jié)構(gòu)將分為多層位于路基上，路基處于無(wú)限深的地基上。

2.1 層狀彈性體系理論分析軟件——BISAR

BISAR計(jì)算機(jī)主程序于殼牌公司研發(fā)，BISAR1.0計(jì)算程序發(fā)布，但是對(duì)于當(dāng)時(shí)來說，程序計(jì)算復(fù)雜，BISAR2.0的問世，基本實(shí)現(xiàn)主程序的所有功能，BISAR3.0發(fā)布，使得程序可以在Windows系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，這樣BISAR3.0程序不僅可以計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變情況，還可以對(duì)撓度，層與層之間的滑動(dòng)進(jìn)行多維度的綜合計(jì)算，只需要采用人工的方式輸入材料屬性、結(jié)構(gòu)層厚度、加載大小和方式就能計(jì)算出對(duì)應(yīng)工況下的應(yīng)力和應(yīng)變。

為了表示不同的層間接觸狀態(tài)，BISAR3.0提供了剪切彈簧柔量模型，該模型用ALK(簡(jiǎn)化的剪切彈性模量)表示層間接觸狀態(tài)的參數(shù)，ALK的定義，見公式(1)

(1)

式中：ALK為剪切彈性模量；?為層間滑動(dòng)系數(shù)；α為荷載作用的半徑，m。

蘇軾在《奏浙西災(zāi)傷第一狀》中表達(dá)了這樣的思想:“臣聞事豫則立，不豫則廢，此古今不刊之語(yǔ)也。至于救災(zāi)恤患，尤當(dāng)在早。若災(zāi)傷之民，救之于未饑，則用物約而所及廣，不過寬減上供，糶賣常平，官無(wú)大失，則人人受賜，今歲之事是也。若救之于已饑，則用物博而所及微，至于耗散省倉(cāng)，虧損課利，官為一困，而已饑之民，終于死亡，熙寧之事是也。”他的觀點(diǎn)是，及早賑災(zāi)，花費(fèi)少而效果好；拖延時(shí)日，花費(fèi)大而效果差。

2.2 路面結(jié)構(gòu)及響應(yīng)點(diǎn)位的選擇

應(yīng)用彈性層狀體系理論對(duì)路面不同結(jié)構(gòu)層之間接觸狀態(tài)的改變對(duì)瀝青路面內(nèi)部水平縱向剪應(yīng)力、水平正應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力的影響。

采用BISAR3.0力學(xué)計(jì)算程序，荷載采用雙圓均布垂直荷載，單圓荷載為P=25 kN，當(dāng)量圓半徑為0.106 5 m，輪隙之間的間距為0.319 5 m，考慮水平荷載的影響，汽車在緊急制定的情況下，路面產(chǎn)生的摩擦系數(shù)μ=0.5，這樣單圓水平荷載的大小為μP=12.5 kN，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)和路面荷載示意圖如圖1、見表3及表4。

圖1 選用計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖

表3 設(shè)計(jì)軸載參數(shù)

表4 實(shí)際主體工程路面結(jié)構(gòu)

計(jì)算點(diǎn)選在標(biāo)準(zhǔn)圓心正下方，沿深度方向排布，總共10個(gè)點(diǎn)，計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)一覽表見表5。

表5 計(jì)算點(diǎn)一覽表

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

(1)不同剪切彈性模量下，瀝青混凝土路面下面層層底正應(yīng)力的變化規(guī)律[2-5]。

連續(xù)狀態(tài)下路面沿深度方向的正應(yīng)力如圖2所示。

圖2 瀝青面層內(nèi)正應(yīng)力隨深度的變化圖

從圖2和表2可知，在路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層之間處于粘結(jié)完好的狀態(tài)，即各個(gè)結(jié)構(gòu)層之間處于連續(xù)狀態(tài)，路面從0～12 cm深度范圍之內(nèi)處于受壓的狀態(tài)，對(duì)于瀝青混凝土路面面層鑒于其抗壓性能相對(duì)良好，而且深度為12 cm處所受壓力相對(duì)較小，在深度為12 cm處所受的壓應(yīng)力僅為深度為1 cm處所受的壓應(yīng)力18%。當(dāng)瀝青混凝土面層與水穩(wěn)上基層之間剪切彈性模量ALK為10a時(shí)，瀝青混凝土面層從頂面的受壓狀態(tài)變成了底面的受拉狀態(tài)，瀝青混凝土底面所受的拉應(yīng)力為0.23 MPa。當(dāng)瀝青混凝土面層與水穩(wěn)上基層之間剪切彈性模量ALK為100a時(shí)，瀝青混凝土面層在h=1 cm處所受的壓應(yīng)力0.46 MPa，在h=12 cm處所受的拉應(yīng)力為0.26 MPa，所受的拉應(yīng)力相比半滑動(dòng)狀態(tài)之下增加了11.5%，當(dāng)瀝青混凝土面層底面拉應(yīng)力增加時(shí)，再加上車輛荷載反復(fù)作用下，容易造成瀝青面層開裂[6]。

(2)沿路面深度方向水平縱向剪應(yīng)力的變化規(guī)律

連續(xù)狀態(tài)下路面沿深度方向的水平縱向剪應(yīng)力如圖3所示。

圖3 路面內(nèi)水平縱向剪應(yīng)力隨深度的變化圖

從圖3可知在連續(xù)狀態(tài)下，路面所受的水平縱向剪應(yīng)力沿深度方向，在瀝青混凝土面層，瀝青混凝土面層所受的剪應(yīng)力迅速下降，在深度h=1 cm時(shí)，水平縱向剪應(yīng)力為0.30 MPa，在深度h=12 cm時(shí)，水平縱向剪應(yīng)力為0.03 MPa，水平縱向剪應(yīng)力僅為h=1 cm時(shí)的10%。在水穩(wěn)上基層、下基層和底基層內(nèi)的剪應(yīng)力變化相對(duì)比較平緩。

(3)連續(xù)狀態(tài)下沿路面深度方向豎向剪應(yīng)力的變化規(guī)律

連續(xù)狀態(tài)下路面沿深度方向的豎向剪應(yīng)力如圖4所示。

圖4 路面內(nèi)豎向剪應(yīng)力隨深度的變化圖

從圖4可知在連續(xù)狀態(tài)下，路面所受的豎向剪應(yīng)力沿深度方向，在瀝青混凝土面層，瀝青混凝土面層所受的剪應(yīng)力迅速下降，在深度h=1 cm時(shí)，豎向剪應(yīng)力為0.0123 4 MPa，在深度h=12 cm時(shí)，豎向剪應(yīng)力為0.005 8 MPa，豎向剪應(yīng)力僅為h=1 cm時(shí)的47.19%。在水穩(wěn)上基層、下基層和底基層內(nèi)的剪應(yīng)力變化相對(duì)比較平緩。

(4)相同剪切彈性模量下，路面結(jié)構(gòu)層豎向剪應(yīng)力的變化規(guī)律。

不同深度和不同結(jié)構(gòu)層間接觸條件變化時(shí)的豎向剪應(yīng)力一覽表如表6所示。

表6 不同深度和不同結(jié)構(gòu)層間接觸條件變化時(shí)的豎向剪應(yīng)力一覽表

當(dāng)路面深度為1 cm，剪切彈性模量ALK=100a，同一深度，不同結(jié)構(gòu)層之間發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，豎向剪應(yīng)力的變化圖如圖5所示。

圖5 h=1 cm處豎向剪應(yīng)力隨不同結(jié)構(gòu)層之間滑動(dòng)的的變化圖

在路面深度為h=1 cm處，當(dāng)路面不同層位之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，路面豎向剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生顯著的變化，相比較之下，二三層之間的部分滑動(dòng)對(duì)該處豎向剪應(yīng)力的影響最大，四五層之間的部分滑動(dòng)對(duì)該處豎向剪應(yīng)力的影響最小，二三層之間的部分滑動(dòng)導(dǎo)致該處豎向剪應(yīng)力增加了99.35%，四五層之間的部分滑動(dòng)導(dǎo)致該處豎向剪應(yīng)力增加了8.85%。

在路面深度為3 cm、6 cm、9 cm和12 cm處瀝青混凝土面層內(nèi)部豎向剪應(yīng)力隨路面不同結(jié)構(gòu)層間滑動(dòng)的變化規(guī)律與路面深度為1 cm時(shí)類似，均可以得到以下的結(jié)果：二三層之間的部分滑動(dòng)對(duì)瀝青混凝土面層內(nèi)部豎向剪應(yīng)力的影響最大，四五層之間的部分滑動(dòng)對(duì)瀝青混凝土面層內(nèi)部豎向剪應(yīng)力的影響最小。

3 透層油質(zhì)量保證措施

鑒于瀝青混凝土面層與水穩(wěn)上基層之間粘結(jié)的重要性，應(yīng)該選擇滲透性好的透層油，常用的透層油為改性乳化瀝青，乳化瀝青的選擇應(yīng)該符合相應(yīng)的技術(shù)要求。在灑布機(jī)、滲透性試驗(yàn)后，參照試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整瀝青與水的比例。灑布量需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后確定，施工時(shí)嚴(yán)格按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40—2004中相應(yīng)的要求執(zhí)行。為了評(píng)價(jià)透層油在水穩(wěn)上基層試件上的滲透能力，應(yīng)該以一定比例的水泥劑量成型試件進(jìn)行滲透性能試驗(yàn)，測(cè)試養(yǎng)生3 d后的滲透情況。

4 結(jié) 論

(1)瀝青混凝土下面層和水穩(wěn)上基層之間的接觸狀態(tài)對(duì)瀝青混凝土面層內(nèi)豎向剪應(yīng)力的影響是最大的。

(2)路面結(jié)構(gòu)層之間，尤其是瀝青混凝土下面層和水穩(wěn)上基層之間接觸狀態(tài)的改變，將改變?yōu)r青混凝土面層底的受力狀態(tài)，使該處由原先的受壓狀態(tài)，變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，鑒于瀝青混凝土路面抗拉能力比較差，極容易造成路面產(chǎn)生橫向裂縫。

(3)在路面施工過程，應(yīng)該確保透層油的質(zhì)量和粘結(jié)層的施工工藝，讓瀝青混凝土面層和水穩(wěn)上基層之間保持良好的粘結(jié)狀態(tài)。