趙 彬 王 猛

（1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院 山東省 濟(jì)南市 250000；2.淄博市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì) 山東省 淄博市 255000）

0 引言

不同層間接觸狀態(tài)對瀝青路面力學(xué)性能的影響是一個(gè)復(fù)雜的問題，涉及多種因素的相互作用。使用有限元建模技術(shù)對不同層間接觸狀態(tài)下瀝青路面的力學(xué)性能進(jìn)行分析，模擬不同路面結(jié)構(gòu)層的接觸狀態(tài)和材料特性，探究其對路面力學(xué)性能的影響。

1 建立有限元模型

1.1 模型參數(shù)

路面的有限元模型寬6m，沿行車方向長6m，深度為5m，路面不同的深度處的材料參數(shù)見表1。

表1 路面材料參數(shù)

1.2 路面三維模型

將路面幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格。根據(jù)溫度分布特性，采用二十結(jié)點(diǎn)二次傳熱六面體單元進(jìn)行溫度場分析；根據(jù)力學(xué)特性和應(yīng)力分布特性，采用八結(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析。在劃分網(wǎng)格的過程中，需要考慮各層材料的特性、荷載作用區(qū)域等因素，采用非均勻網(wǎng)格劃分方式提高模擬精度。根據(jù)模型進(jìn)行溫度場分析和力學(xué)響應(yīng)分析。在分析過程中，需要考慮路面結(jié)構(gòu)的熱膨脹、熱應(yīng)力等因素以及路面結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)。

假設(shè)所有路面各結(jié)構(gòu)材料均質(zhì)，發(fā)生彈性變形并且表現(xiàn)出各向同性；但是基層和面層接觸面除外，各層的接觸面完全連續(xù)。路面結(jié)構(gòu)層的溫度場分析，采用二次傳熱立方單元；在分析各層力學(xué)響應(yīng)時(shí)，使用八節(jié)點(diǎn)立方體縮減積分。在界面分析中，采用“硬”接觸模型，通過定義摩擦系數(shù)來模擬層間不同的接觸狀態(tài)。首先，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層的材料均為彈性材料，而且是各向同性的。除了基層和面層的接觸面外，各結(jié)構(gòu)層的接觸面都是完全連續(xù)的。

在建立有限元模型的過程中，考慮非均勻網(wǎng)格劃分，將面層區(qū)域劃分得比基層更密集，荷載作用區(qū)域進(jìn)一步加密。沿車荷載作用區(qū)網(wǎng)格尺寸h，非車荷載作用區(qū)網(wǎng)格尺寸2h。最后，對界面間的行為，使用剛性接觸模型，設(shè)置不同的摩擦系數(shù)來調(diào)整層間不同的接觸狀態(tài)，用于模擬真實(shí)路面接觸[1-2]。

2 溫度場分析

路面的溫度受許多環(huán)境因素的影響，例如太陽輻射、日照時(shí)間和風(fēng)速等。溫度對瀝青的力學(xué)性能影響最大，因此分析路面溫度場是非常重要的。為了分析路面的溫度場，使用有限元軟件，通過用戶子程序來定義外界溫度隨時(shí)間的變化，來模擬熱流對路面結(jié)構(gòu)形成的溫度場。在路面縱橫中心剖面上設(shè)置數(shù)據(jù)提取路徑，并沿著深度方向進(jìn)行分析，得到路面深度h不同處的實(shí)時(shí)溫度。從圖1 可以看出，太陽輻射對路面的溫度的影響要遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。夏季路表最高溫度可以達(dá)到37.1℃。路面溫度隨著深度增加逐漸降低，由于熱傳導(dǎo)作用，熱量沿著深度方向向下傳遞，因此深度越深的位置溫度峰值越小。因?yàn)樯疃仍缴畹奈恢檬艿降臒崃總鬟f速率相對較慢，所以溫度峰值的持續(xù)時(shí)間也會相對較長，達(dá)到峰值所需的時(shí)間也會更長。

圖1 路面不同深度處的溫度變化

隨著路基深度增加，結(jié)構(gòu)層的升溫速率逐漸下降，然后趨于平緩、滯后。由于降溫速率過快，持續(xù)時(shí)間太短，因此面層的瀝青發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)降溫裂縫。路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度梯度隨著外界環(huán)境變化在0—6 點(diǎn)呈現(xiàn)負(fù)梯度，6—7 點(diǎn)溫度梯度逐漸趨于0，7 點(diǎn)以后出現(xiàn)正梯度，最大值出現(xiàn)在13點(diǎn)。這反映了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布特點(diǎn)以及溫度傳遞的滯后性。另外，隨著路基深度增加，結(jié)構(gòu)層的升溫速率逐漸下降，然后趨于平緩、滯后。

總之，路面結(jié)構(gòu)層的溫度表現(xiàn)出隨深度與所處環(huán)境溫度氣溫的周期性變化關(guān)系。隨著深度增加，變化幅度逐漸減少，溫度峰值也越來越滯后。當(dāng)深度達(dá)到一定值后，溫度基本不再變化。此外，路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度也與環(huán)境氣溫呈現(xiàn)周期性的變化關(guān)系，先減少然后增大再減少。選取某月份的路面溫度數(shù)據(jù)，并采用多項(xiàng)式擬合分析路面溫度、深度與環(huán)境氣溫的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖2 所示。

圖2 路面溫度與深度的關(guān)系曲線

從圖2 和圖3 可以看出，路面溫度與所處深度呈三次函數(shù)關(guān)系，隨著路面深度增加，路面溫度的變化可能會呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，最終趨于穩(wěn)定。路面溫度與環(huán)境氣溫呈二次函數(shù)關(guān)系。這說明路面溫度與外界環(huán)境氣溫之間存在一個(gè)二次函數(shù)關(guān)系，即路面溫度隨著外界氣溫增加而增加。隨著氣溫進(jìn)一步升高，路面溫度的增長率呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢。

圖3 路面溫度與環(huán)境氣溫的關(guān)系曲線

3 力學(xué)響應(yīng)分析

利用有限元方法對路面結(jié)構(gòu)在不同層間接觸狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行模擬和分析。瀝青面與基層的摩擦系數(shù)取μ=0.4、0.6 和0.8。在模擬中，考慮路面車速為100 m/s、在重載荷載工況下的受力情況，并通過數(shù)據(jù)提取路徑獲取路面各結(jié)構(gòu)層在不同層間接觸狀態(tài)下的受力情況。通過有限元模擬，可以得到路面結(jié)構(gòu)在不同車速、荷載工況下的拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和豎向位移等關(guān)鍵指標(biāo)。對比層間不同的接觸狀態(tài)和受力情況，可以評估層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)受力情況的影響，并進(jìn)一步確定路面維護(hù)和加固的重點(diǎn)區(qū)域[3]。

3.1 層底拉應(yīng)力

根據(jù)圖4，在完全連續(xù)的狀態(tài)下，路面結(jié)構(gòu)下層受壓應(yīng)力，而上基層受拉應(yīng)力，底基層也受拉應(yīng)力。然而，考慮不同的層間接觸狀態(tài)，下層的受力狀態(tài)發(fā)生改變，受到拉應(yīng)力。通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，隨著摩擦系數(shù)μ減少，下層和底基層受到的拉力會不斷增大，分別增大68%和42%，而上基層拉應(yīng)力變化很小。由此可見，面層結(jié)構(gòu)受層間接觸狀態(tài)的影響最大。在完全連續(xù)的狀態(tài)下，面層受壓應(yīng)力而基層受拉應(yīng)力；但是，在層間接觸狀態(tài)，路面結(jié)構(gòu)不完全連續(xù)，面層的受力狀態(tài)會發(fā)生改變，底基層受到的拉應(yīng)力增大。如果層間接觸狀態(tài)持續(xù)惡化，面層就會開裂[4]。

圖4 層底拉應(yīng)力時(shí)程曲線

3.2 最大剪應(yīng)力

通過面層結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力最大值在不同接觸狀態(tài)時(shí)的變化情況可知，在完全連續(xù)的狀態(tài)下，最大剪應(yīng)力集中在面層和上基層的交界處，并隨著深度增加而逐漸減少。然而，在考慮層間接觸狀態(tài)的過程中，最大剪應(yīng)力不僅在面層和上基層的交界處集中，而且在面層和底基層的交界處也顯著增加。此外，最大剪應(yīng)力的分布范圍也擴(kuò)大了。因此，層間接觸狀態(tài)會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力增加并擴(kuò)散到了更廣泛的區(qū)域[5]。

3.3 豎向位移

路面結(jié)構(gòu)層豎向位移與深度的關(guān)系曲線與路面完全連續(xù)狀態(tài)下相比，考慮層間接觸狀態(tài)時(shí)，各面層位移曲線逐漸增加。隨著μ變小，路面各結(jié)構(gòu)層的位移逐漸增加，但增加量很小。此外，在完全連續(xù)的狀態(tài)下，路面深度與基層的位移呈負(fù)相關(guān)。

當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層處于層間接觸時(shí)，路面深度對基層的位移無顯著影響。不同的層間接觸狀態(tài)會影響路面各層的豎向位移并且基層的豎向位移在考慮層間接觸狀態(tài)時(shí)不再呈線性遞減，這可能會對路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

因此，選擇合適的路面結(jié)構(gòu)和材料也能夠有效地改善路面的層間接觸狀態(tài)，從而提高路面的抗變形能力。對已經(jīng)出現(xiàn)了層間接觸劣化的路面，需要及時(shí)采取措施進(jìn)行維修和加固，以恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

該文使用有限元建模技術(shù)對不同層間接觸狀態(tài)下瀝青路面的力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究結(jié)論如下：1）路面溫度與外界環(huán)境氣溫之間存在一個(gè)二次函數(shù)關(guān)系，即路面溫度隨著外界氣溫的增加而增加，但隨著氣溫進(jìn)一步升高，路面溫度的增長率會逐漸減緩。2）因?yàn)閷娱g接觸狀態(tài)的劣化會導(dǎo)致力的傳遞不暢，使上基層與下面層界面處的剪應(yīng)力持續(xù)增大，這可能導(dǎo)致剪切破壞的發(fā)生。3）不同的層間接觸狀態(tài)會影響路面各層的豎向位移并且基層的豎向位移在考慮層間接觸狀態(tài)時(shí)不再呈線性遞減，這可能會對路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。4）選擇合適的路面結(jié)構(gòu)和材料也能夠有效地改善路面的層間接觸狀態(tài)，從而提高路面的抗變形能力。