張勇博

摘 要：為了分析層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)瀝青路面疲勞性能的影響，從實(shí)際路面的層間狀態(tài)演化過(guò)程出發(fā)，利用數(shù)值模擬軟件，計(jì)算分析層間結(jié)合狀態(tài)改變后瀝青面層層底拉應(yīng)力的變化規(guī)律，并分析了層間狀態(tài)劣化后路面疲勞性能的衰減機(jī)理。結(jié)果表明，隨著層間結(jié)合狀態(tài)的劣化，瀝青面層層底拉應(yīng)力增加，道路路面結(jié)構(gòu)的整體性下降，瀝青路面疲勞性能不斷衰減。研究結(jié)果可為完善道路設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與參考。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青路面;層間狀態(tài);疲勞性能

中圖分類號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0080-03

Abstract： In order to analyze the influence of interlayer bonding state on the fatigue performance of asphalt pavement， this paper starts from the evolution process of interlayer state of actual pavement， calculates and analyzes the change law of tensile stress at the bottom of asphalt pavement layer after the change of interlayer bonding state through numerical simulation software， and analyzes the attenuation mechanism of pavement fatigue performance after the deterioration of interlayer state， With the deterioration of interlayer bonding state， the tensile stress at the bottom of asphalt pavement layer increases， the integrity of the road decreases， and the fatigue performance of asphalt pavement continues to decline. The research results can provide theoretical basis and reference for improving road design.

Keywords： road engineering;asphalt pavement;interlaminar state;fatigue performance

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)依據(jù)彈性層狀理論體系，但該理論假設(shè)瀝青面層與半剛性基層之間是完全連續(xù)的，忽略了層間狀態(tài)對(duì)道路性能的影響，而實(shí)際瀝青路面層間狀態(tài)處于完全連續(xù)與完全光滑之間。早在20世紀(jì)60年代就有學(xué)者提出，層間不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致道路應(yīng)力分布不均勻。UZAN J等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得出層間結(jié)合狀態(tài)在道路服役過(guò)程中會(huì)不斷衰減[1]。BIRADER S S等人采用剪切模量這一參數(shù)來(lái)表征層間結(jié)合效果，并通過(guò)改變這一參數(shù)水平分析層間結(jié)合狀態(tài)改變對(duì)瀝青路面的應(yīng)力狀態(tài)分布[2]。我國(guó)學(xué)者關(guān)昌余等人通過(guò)剪切試驗(yàn)得出層間的粘結(jié)效果決定著層間抗剪強(qiáng)度的大小[3]。黃優(yōu)等人在層間力學(xué)分析的基礎(chǔ)上提出，層間結(jié)合狀況越好，層間受到的最大剪應(yīng)力值越小[4]。艾長(zhǎng)發(fā)等人采用數(shù)值模擬軟件，分析了溫度和荷載耦合作用下的不同層間狀態(tài)對(duì)瀝青路面的影響[5]。

1 道路層間結(jié)合狀態(tài)分析

1.1 層間結(jié)合狀態(tài)的演化過(guò)程

道路層間結(jié)合狀態(tài)的優(yōu)良可通過(guò)層間抗剪強(qiáng)度的大小反映。層間結(jié)合狀態(tài)越好，層間抗剪強(qiáng)度越大;反之，則越小。理論上，新施工完畢的道路基面層層間結(jié)合狀態(tài)處于無(wú)損傷狀態(tài)，但并不能維持多久。在夏季高溫時(shí)，瀝青路面在重載車輛碾壓下會(huì)導(dǎo)致層間將承受較大的剪應(yīng)力。當(dāng)剪應(yīng)力大于層間抗剪強(qiáng)度時(shí)，層與層之間會(huì)發(fā)生微小的相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)層間的粘結(jié)效果將受到損傷，層間抗剪強(qiáng)度下降。隨著層間抗剪強(qiáng)度的下降，層間剪應(yīng)力不斷增大，而逐漸增大的層間剪應(yīng)力又會(huì)加速層間抗剪強(qiáng)度的衰減，導(dǎo)致層間剪應(yīng)力和層間結(jié)合狀態(tài)相互影響。層間結(jié)合狀態(tài)損傷，抗剪性能下降，會(huì)使層間粘結(jié)材料處于不利狀態(tài)，加劇層間結(jié)合狀態(tài)的損傷。二者互相影響，最終層間損傷將達(dá)到極限，導(dǎo)致粘結(jié)材料徹底破壞，從而出現(xiàn)層間粘結(jié)失效問(wèn)題。

1.2 實(shí)際道路層間結(jié)合狀態(tài)

在道路的使用過(guò)程中，層間強(qiáng)度會(huì)不斷下降。要想在實(shí)驗(yàn)室中模擬實(shí)際路面的層間結(jié)合狀態(tài)，必須知曉實(shí)際路面層間處于何種狀態(tài)。孫立軍等人在對(duì)路面病害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在路面表面滑移開(kāi)裂處鉆心取樣時(shí)，出現(xiàn)瀝青混合料層與半剛性基層粘結(jié)處嚴(yán)重脫落，樣芯基面層無(wú)粘結(jié)材料進(jìn)行粘結(jié)，接觸面是光滑的，只剩下上面層和少量中面層連接[6]。鉆芯取樣統(tǒng)計(jì)顯示，高速公路70%的樣芯都有層間脫空失效現(xiàn)象，其中90%的樣芯脫開(kāi)面上有剝落痕跡。裴旭東通過(guò)研究基面層耐久性發(fā)現(xiàn)，基面層層間粘結(jié)條件在施工完畢時(shí)處于無(wú)損傷狀態(tài)，其層間的應(yīng)力傳遞不僅依靠集料之間的機(jī)械摩阻力，還依靠基面層之間粘結(jié)材料的粘結(jié)效果[7]。路面經(jīng)過(guò)高溫、水分和荷載等多種因素耦合作用后，層間粘結(jié)效果下降，層與層之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)與分離，層間的結(jié)合狀態(tài)也由最佳轉(zhuǎn)變?yōu)閷娱g失效狀態(tài)。層間一旦發(fā)生粘結(jié)失效，行車方向的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的傳遞只能依靠基層與面層之間的機(jī)械摩阻力來(lái)傳遞。封基良在進(jìn)行公路滑移分析時(shí)指出，半剛性基層瀝青路面基層層間摩擦系數(shù)的取值為0.4～0.8，其中基面層滑移粘結(jié)失效情況下為0.4，層間無(wú)損傷時(shí)為0.8[8]。

2 層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)瀝青路面疲勞性能的影響

2.1 層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的影響

我國(guó)規(guī)范中疲勞破壞的控制指標(biāo)為瀝青層層底拉應(yīng)力，故本文以瀝青層層底拉應(yīng)力為對(duì)象，探究層間結(jié)合狀態(tài)改變后對(duì)瀝青路面疲勞性能的影響。利用ABAQUS有限元軟件建立如圖1所示的半剛性基層瀝青路面復(fù)合小梁力學(xué)分析模型。各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所示。在層間設(shè)置不同的摩擦系數(shù)以實(shí)現(xiàn)不同的層間結(jié)合狀態(tài)，從而分析層間結(jié)合狀態(tài)改變后復(fù)合小梁層底拉應(yīng)力變化規(guī)律，其中摩擦系數(shù)的設(shè)置參照封基良的研究[8]。

現(xiàn)匯總有限元模型的計(jì)算結(jié)果，如圖2所示。

由圖2可知，瀝青面層與半剛性基層在荷載作用下，面層底和基層底的最大拉應(yīng)力隨著摩擦系數(shù)的增加而減小。當(dāng)層間摩擦系數(shù)由0.4增加至0.8時(shí)，面層層底拉應(yīng)力下降了22.3%，半剛性基層下降了9.3%。隨著層間結(jié)合效果的下降，瀝青面層層底拉應(yīng)力不斷增加，會(huì)導(dǎo)致路面疲勞損傷加劇，縮短路面的疲勞壽命。當(dāng)摩擦因數(shù)從0.8增加到1.0時(shí)，面層與基層最大拉應(yīng)力分別降低了9.4%和2.0%?？梢?jiàn)，層間理想的連續(xù)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果相差較大。因此，在進(jìn)行路面力學(xué)響應(yīng)分析時(shí)，以實(shí)際的摩擦系數(shù)0.4～0.8進(jìn)行力學(xué)分析更合理。

2.2 路面疲勞壽命衰減機(jī)理

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)指標(biāo)體系認(rèn)為，瀝青路面處于完全連續(xù)狀態(tài)。實(shí)際上，在荷載、水鹽遷移、侵蝕以及溫度等多場(chǎng)耦合作用下，層間狀態(tài)一般介于完全連續(xù)和滑動(dòng)之間。在整個(gè)路面運(yùn)行周期內(nèi)，層間狀態(tài)不斷演化和損傷，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重新分布。這是瀝青路面疲勞損傷加劇的主要原因之一。

圖3是荷載作用下復(fù)合小梁在不同層間狀態(tài)下沿梁體厚度方向拉應(yīng)力的分布情況。當(dāng)層間結(jié)合效果由完全粘結(jié)到完全光滑轉(zhuǎn)化時(shí)，層底的拉應(yīng)力會(huì)不同程度地增加。究其原因，荷載作用下，上層層底處于受拉狀態(tài)，當(dāng)層間完全粘結(jié)時(shí)，層間粘結(jié)材料將基層頂部與上層層底連在一起，三者共同抵抗拉應(yīng)力，上層層底材料所承受的拉應(yīng)力就會(huì)降低。當(dāng)層間完全光滑時(shí)，層間粘結(jié)效果不復(fù)存在，上層層底的拉應(yīng)力將全部由上層層底材料承受，此時(shí)上層材料受層間效果影響最嚴(yán)重。

在實(shí)際道路中，荷載作用下瀝青面層層底出現(xiàn)拉應(yīng)力。由于層間粘結(jié)力和摩阻力的存在，可以限制上下兩層之間的相對(duì)滑移，有效抑制瀝青面層層底拉應(yīng)變的產(chǎn)生。當(dāng)基面層間損傷時(shí)，抑制瀝青層層底產(chǎn)生拉應(yīng)變的結(jié)合效果就會(huì)下降，致使瀝青層層底拉應(yīng)變?cè)黾?。另外，層間無(wú)損傷時(shí)，粘結(jié)效果和摩阻效果的存在可以使瀝青層和半剛性基層具有較好的整體性。瀝青層層底的拉應(yīng)力可以向基層傳遞，而基層材料可以分散瀝青層層底的一部分應(yīng)力。層間損傷后結(jié)合效果下降，導(dǎo)致瀝青面層與半剛性基層的整體性下降，應(yīng)力由瀝青面層向基層傳遞的“橋梁”減弱。瀝青層層底拉應(yīng)力向基層傳遞的能力降低，應(yīng)力無(wú)法擴(kuò)散傳遞至基層，此時(shí)瀝青層承受的應(yīng)力水平增加，拉應(yīng)變?cè)龃?。層底拉?yīng)變的增加會(huì)導(dǎo)致瀝青面層疲勞開(kāi)裂的加劇。因此，良好的層間結(jié)合狀態(tài)能效降低瀝青層層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。隨著層間結(jié)合狀態(tài)的損傷，瀝青路面疲勞壽命將快速下降，出現(xiàn)疲勞壽命衰減的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

①實(shí)際道路的層間結(jié)合狀態(tài)會(huì)隨著道路使用時(shí)間的增加不斷演化并逐漸劣化。層間粘結(jié)材料在荷載作用下不斷損傷，最終導(dǎo)致層間發(fā)生剪切疲勞破壞。實(shí)際中，層間摩擦系數(shù)的范圍為0.4～0.8，其中層間粘結(jié)失效時(shí)為0.4，層間無(wú)損傷狀態(tài)時(shí)為0.8。

②隨著層間摩擦系數(shù)的增加，半剛性基層瀝青路面復(fù)合小梁的瀝青層層底和半剛性基層層底的拉應(yīng)力均不斷減小。當(dāng)層間摩擦系數(shù)由0.4增加至0.8時(shí)，面層層底拉應(yīng)力下降了22.3%，半剛性基層下降了9.3%。

③層間結(jié)合狀態(tài)劣化后，路面結(jié)構(gòu)的整體性下降，層與層之間的應(yīng)力傳遞能力下降，導(dǎo)致瀝青面層層底拉應(yīng)力增大，加劇了瀝青路面的疲勞開(kāi)裂，致使路面疲勞壽命下降。

綜上所述，良好的層間結(jié)合狀態(tài)可以有效降低瀝青面層層底拉應(yīng)變，延長(zhǎng)路面疲勞壽命。

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