王 婧

(天津市城市道路設(shè)施巡查中心，天津 300000)

1 概述

市政公路是國民經(jīng)濟建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，是經(jīng)濟發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，也是一個國家現(xiàn)代化水平的重要標志之一。而在我國公路的路面結(jié)構(gòu)當(dāng)中，瀝青路面占有相當(dāng)大的比重，占到了90%之多[1]。目前瀝青路面的各種常見破損類型疲勞開裂、反射裂縫、低溫開裂等，通常修補的重點是加厚瀝青面層或增加新鋪面層以加強路面對拉應(yīng)力或拉應(yīng)變的抵抗能力，或者在路基、路面材料及其結(jié)構(gòu)組成方面進行優(yōu)化和改進，但實際上如果忽略層間的粘結(jié)、防水及耐久性等問題，無論面層和基層的強度如何提高，瀝青路面破壞狀況仍得不到解決。瀝青路面各結(jié)構(gòu)層之間層間處治工藝的正確與否和質(zhì)量水平高低對瀝青路面的性能的影響至關(guān)重要。因此，對瀝青混凝土面層進行數(shù)值模擬，對理解瀝青混凝土面層的力學(xué)行為、損傷機理有顯著的意義，并可為設(shè)計施工提供依據(jù)。

因此，本文基于固體力學(xué)與彈性力學(xué)理論，采用有限元方法，對瀝青混凝土面層的力學(xué)行為進行數(shù)值模擬，旨在分析面層混凝土的損傷、破損機理，以期對市政道路設(shè)計與建設(shè)提供一定的參考。

2 瀝青混凝土路面數(shù)值模型

以文獻[1]中給出的路面結(jié)構(gòu)形式，本文取面層、基層、底層的瀝青混凝土厚度分別為4 cm，6 cm，20 cm，各層間的結(jié)合層厚度取1 mm。為加快有限元求解速度，對數(shù)值模型進行一定的簡化。將面層瀝青混凝土視為一種各相同性的粘彈性材料，將基層和底層瀝青混凝土視為線彈性材料，將面層與基層之間的結(jié)合層視為一種各相異性的粘彈性材料。建立的ABAQUS模型如圖1所示。各層材料的本構(gòu)關(guān)系如表1所示。

表1 材料本構(gòu)關(guān)系表

層間的粘結(jié)強度對合理模擬面層瀝青混凝土的力學(xué)行為至關(guān)重要。本文采用復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)的周期性假設(shè)提出代表性體積單元法對層間力學(xué)行為進行模擬。復(fù)合材料細觀結(jié)構(gòu)的周期性假設(shè)認為，雖然材料內(nèi)部各組分具有隨機性，但他們一般具有統(tǒng)計上的周期重復(fù)性，因此，整個非均質(zhì)復(fù)合材料可以看成是代表性體積單元周期性排列而成[2]。假設(shè)代表性體積單元內(nèi)各組分材料分別具有彈塑性性質(zhì)，服從各自的彈塑性本構(gòu)關(guān)系[3]，在平面應(yīng)力—應(yīng)變條件下。

(1)

根據(jù)三種特定的位移邊界條件，可得：

(2)

根據(jù)這三種特殊情況，即可求得代表性體積單元等效彈性模量與剪切模量：

(3)

(4)

(5)

(6)

在上述含有代表性體積單元的模型中，僅需調(diào)整代表性體積單元的本構(gòu)關(guān)系即可模擬瀝青混凝土路面的層間狀態(tài)。在本研究中，僅對完全粘結(jié)和50%脫粘進行了模擬。此外，為了模擬市政路面的受力行為，本文共采用四種荷載工況，如表2所示。

表2 荷載工況表

3 層間粘結(jié)力對瀝青混凝土路面面層損傷、破損機理影響因素分析

圖2為瀝青混凝土路面面層與基層完全粘結(jié)時面層瀝青混凝土的受力云圖。由圖2可以看出，當(dāng)瀝青混凝土路面僅受垂直應(yīng)力時，層間應(yīng)變僅為51×10-6，此時的層間剪應(yīng)力為1.595 MPa，而同時受到垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力時，層間應(yīng)變增加為85×10-6，增加了66.7%，此時的層間剪應(yīng)力為2.08 MPa，增加了30.4%。當(dāng)瀝青混凝土路面升溫/降溫20 ℃時，層間應(yīng)變均為48×10-6，層間剪應(yīng)力均為0.2 MPa，但層間延垂直方向產(chǎn)生了1.661 MPa(升溫)/2.166 MPa(降溫)的拉應(yīng)力，同時在升溫時在層間產(chǎn)生了0.987 MPa的壓應(yīng)力，在降溫時產(chǎn)生了0.936 MPa的拉應(yīng)力，由于這種力學(xué)效應(yīng)伴隨著面層較大的垂直位移，因此會使得瀝青混凝土層間更易脫粘。值得注意的是，在升溫過程中數(shù)值模擬結(jié)果顯示瀝青混凝土面內(nèi)產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，并向上位移，這可能是瀝青混凝土路面隆起的主要原因；而在降溫過程中數(shù)值模擬結(jié)果顯示瀝青混凝土面內(nèi)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，這可能是瀝青混凝土路面產(chǎn)生裂紋、龜裂的主要原因。

圖3為部分粘結(jié)(50%)時面層瀝青混凝土的受力云圖。由圖3可以看出，與完全粘結(jié)時相比，當(dāng)部分粘結(jié)(50%)瀝青混凝土路面僅受垂直應(yīng)力時，層間應(yīng)變由51×10-6提高至為53×10-6，層間應(yīng)力由1.595 MPa降低至0.864 MPa，降低了45.8%。而同時受到垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力時，部分粘結(jié)(50%)瀝青混凝土層間應(yīng)變增加為94×10-6，與完全粘結(jié)時相比增加了10%，層間應(yīng)力由2.08 MPa降低至1.154 MPa，降低了44.5%。與完全粘結(jié)時相比，部分粘結(jié)(50%)在溫度荷載的作用下對剪切的影響不大，但垂直方向的拉應(yīng)力分別由1.661 MPa(升溫)/2.166 MPa(降溫)降低至1.027 MPa/1.406 MPa，但面層的垂直位移卻有明顯增加。

由模擬結(jié)果可以看出，在較低的粘結(jié)強度(即較弱的層間粘結(jié))下，面層與基層之間的結(jié)合層出現(xiàn)較大的層間剪切應(yīng)變，這更易造成層間脫粘，從而進一步增加了剪切應(yīng)變，加速瀝青混凝土面層脫粘。同時，在較低的粘結(jié)強度條件下，剪切應(yīng)力進一步減小，這使剪切應(yīng)力無法有效地向下傳遞，會使面層瀝青混凝土承受更大的力，進而導(dǎo)致面層出現(xiàn)隆起、開裂等病害。此外，溫度應(yīng)力對于層間剪應(yīng)力影響不大，但是會延垂直方向產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，且會在層內(nèi)產(chǎn)生面內(nèi)拉/壓應(yīng)力，在這兩種效應(yīng)的耦合作用下，更易造成層間脫粘。

4 結(jié)語

本文基于固體力學(xué)與彈性力學(xué)理論，采用有限元方法，對瀝青混凝土面層的力學(xué)行為進行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:1)瀝青混凝土路面層間受車輛荷載的影響，尤其是彎曲、爬坡線路上會產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，在這些區(qū)域要嚴格把控瀝青澆筑質(zhì)量，使層間有更好的粘結(jié)力；2)瀝青混凝土路面同時也受溫度荷載的影響，這種影響比車輛荷載更加顯著，這主要是因為路面受熱/受冷時會產(chǎn)生面外力，使得層間加速剝離，且這種效應(yīng)會隨著路面面積的積累而積累，從而會在路面澆筑的缺陷處產(chǎn)生病害，因此，在施工時應(yīng)嚴格把控瀝青澆筑工藝，使其在一定范圍內(nèi)相對均勻，共同受力抵抗溫度荷載；3)層間缺陷的出現(xiàn)一方面使得面層和基層間產(chǎn)生較大的相對位移，這會使層間進一步脫空，另一方面層間缺陷僅能傳遞較小的剪切應(yīng)力，因此在荷載相同時，面層內(nèi)會承受更大應(yīng)力，這會增加面層的負荷，加速面層的損壞，因此，在瀝青混凝土使用過程中，層間剝離的早期檢測與維修至關(guān)重要。