刘 芳 肖亚飞
1 概述
随着我国高速公路的飞速发展,路网已基本形成,现有的沥青混凝土路面经过多年行车后,有相当一部分路面结构虽然整体强度完好,但存在露骨、剥落、滑溜和平整度差等表面功能性病害。对于这部分路面结构的养护维修,从减少对路面标高的影响与节约资源的角度出发,仅需对其表面功能进行恢复,采用薄层沥青混凝土罩面预防性养护是较为理想的方案,且沥青薄层罩面技术在国内很多地方已经铺筑了试验路。
2 有限元模型
由于 ABAQUS程序可求解复杂的机械及热荷载过程(包括几种不同性质的材料)以及变化接触条件的非线性组合问题。ABAQUS建立了开放的体系结构,提供了二次开发的接口,利用其强大的分析求解平台,可使困难的分析简单化,复杂的过程层次化[3]。所以在本章的研究中,选用有限元软件 ABAQUS来模拟薄层罩面在行车荷载作用下的应力。
原路面结构采用三维工程结构物,由沥青面层、半刚性基层、底基层和土基组成,如图 1所示。在模拟分析中,薄层罩面铺筑在原路面的表面,施加垂直荷载于罩面表面,设置路面结构边界条件,然后划分网格,形成三维空间模型,最后进行有限元数值计算。
3 基本假设
实际的薄层罩面层间接触条件介于光滑接触与连续接触之间,处于半结合状态。新铺筑薄层罩面时,由于在旧沥青路面上浇洒了粘结油,薄层罩面与原沥青路面粘结较好,可视为连续接触。当薄层罩面使用了一段时间后,在车辆荷载、温度、雨(雪)等外界因素及沥青自身的老化等因素影响下,薄层罩面与原路面之间开始出现滑移现象,所以薄层罩面与原路面层间为不完全连续。本章基本假设如下:
1)薄层罩面视作各向同性的线性热粘弹性损伤材料;2)考虑行车荷载对路面结构高温稳定性和疲劳的影响,所以荷载为单轮垂直均布荷载;3)原路面各层为各向同性均布弹性材料,以材料参数弹性模量E与泊松比υ表示,且各层材料参数为常数;4)原路面层间接触条件为完全连续接触,薄层罩面与原路面为不完全连续且摩擦系数设为 0.5;5)不考虑温度变化对薄层罩面受力的情况;6)假设铺筑薄层罩面前,对原路面面层裂缝经过处理,对罩面受力无影响。
4 参数的选取
1)薄层罩面的参数。
材料的蠕变变形 εcr可以表示为温度 T、应力 q和时间 t的函数,即:
分析蠕变变形,通常采用 Bailey-Norton蠕变规律。对于一维受力状态,其模型表达式为:
其中,q,t分别为偏应力和作用时间;C1,C2,C3均为模型参数并依赖于温度,可以通过材料试验确定,通常 C2≥0,C3≤1。由于式(2)中,假定 q不随时间 t变化,所以有:
式(3)即为本文应力分析所要采用的有限元分析软件ABAQUS中的时间硬化蠕变模型(以蠕变率表示),A,n,m即为模型参数。通常,A＞0;n＞0;-1＜m≤0,取 SMA-13常温 20℃时的参数进行计算[4]。具体参数见表 1。
表1 薄层沥青罩面材料的参数
2)基层和土基参数的确定。为了简化模型,提高计算效率,数值模型中对面层、基层和土基材料采用线弹性模型,各层材料弹性参数根据典型取值确定。同时不考虑弹性参数随温度的变化,具体数值见表 2[5]。
3)车辙荷载的确定。按 100万次标准荷载在车速 80 km/h下的累计作用时间(接地压力p按 0.7MPa的标准压力计算),车辙计算模型荷载参数见表 3。
表2 基层和土基材料的弹性参数
表3 车辙计算模型荷载参数
5 数值分析
薄层罩面厚度薄,混合料粒径小,高温抗形变的能力自然相对要小一些,同时因为本身层厚的限制,其车辙深度不可能很大,故高温稳定性问题主要体现在层内或层间剪应力过大导致的罩面层推移、壅包上面;薄层罩面在使用期间经受车轮荷载的反复作用,长期处于应力应变交迭变化状态,致使路面结构强度逐渐下降,当荷载重复作用超过一定次数以后,薄层罩面出现裂缝,产生疲劳断裂破坏,而其的疲劳设计大多数以底部拉应力或拉应变作为控制指标。文章将从薄层罩面在行车荷载作用下的剪应力、拉应力等入手,来分析其高温稳定性和抗疲劳性能。
行驶在路面上的车辆由承重轮向薄层罩面传递大部分荷载,薄层罩面不仅承受车辆垂直荷载作用,而且承受了车轮滚动摩擦力的作用,由于轮胎与路面间接触压力的复杂性,导致这一局部范围内的受力较为复杂。主要是垂直荷载作用下的沥青路面的应力和弯沉变化。
通过 ABAQUS有限元软件进行模拟,算出薄层罩面的最大剪应力、拉应力、弯沉变化等,并分析计算结果随薄层罩面深度的变化趋势。其操作方法如下:分别取薄层罩面上表面层、中间层和罩面与原路面接触层的三个平面的弯沉值、最大剪应力、横向拉应力、纵向拉应力,每层面各取八个位置不同的点(由于行车荷载沿横轴和纵轴呈轴对称图形)。
5.1 垂直压应力分析
由图 2可知,薄层罩面表面垂直压应力大于薄层罩面层的垂直压应力,均大于薄层罩面与原路面接触面层间的垂直压应力,但垂直压应力变化很小。随着罩面深度的增加垂直应力受力面积增加,而薄层罩面厚度很薄,所以增加的面积很小,由于垂直压应力是车载压力与应力受力面积的比值,所以随薄层罩面厚度的增加垂直压应力减小量也很小。
5.2 最大剪应力
由图 3可知,沥青薄层罩面与原路面的接触面的层间最大剪应力大于薄层罩面的层内最大剪应力,均大于薄层罩面表面的最大剪应力。最大剪应力是材料破坏控制指标之一,所以控制薄层罩面与原路面接触面的层间最大剪应力非常重要。
5.3 横向拉应力
由图 4可知,沥青薄层罩面与原路面接触面的层间横向拉应力大于薄层层内的横向拉应力,均大于罩面表面的横向拉应力。拉应力是材料破坏控制指标之一,所以控制薄层罩面与原路面接触面的层间横向拉应力十分重要。
5.4 纵向拉应力
由图 5可知,沥青薄层罩面与原路面接触面的层间纵向拉应力均大于薄层罩面表面和层内的纵向拉应力,薄层罩面层内纵向拉应力大于表面的纵向拉应力。拉应力是材料破坏控制指标之一,所以控制薄层罩面与原路面接触面的层间纵向拉应力十分重要。
6 结语
薄层罩面表面垂直压应力大于薄层罩面层的垂直压应力,均大于薄层罩面与原路面接触面层间的垂直压应力,但垂直压应力变化很小;随着罩面深度的增加,垂直应力受力面积增加,而薄层罩面厚度很薄,所以增加的面积很小,由于垂直压应力是车载压力与应力受力面积的比值,所以随薄层罩面厚度的增加垂直压应力减小量也很小。沥青薄层罩面与原路面的接触面的层间最大剪应力大于薄层罩面的层内最大剪应力,均大于薄层罩面表面的最大剪应力。沥青薄层罩面与原路面接触面的层间横向拉应力大于薄层层内的横向拉应力,均大于罩面表面的横向拉应力。沥青薄层罩面与原路面接触面的层间纵向拉应力均大于薄层罩面表面和层内的纵向拉应力,均大于表面的纵向拉应力。
[1]徐东伟.沥青混凝土路面加铺层力学分析[J].北方交通,2003(4):27-28.
[2]李 峰,孙立军.基层模量对沥青路面力学性能的影响分析[J].公路交通科技,2006(2):31-33.
[3]马庆雷.基于刚性基层的耐久性沥青路面结构研究[D].西安:长安大学,2006.
[4]李 辉.沥青路面车辙形成规律与温度场关系研究 [D].南京:东南大学,2006.
[5]杨 捷.沥青车辙与壅包形成机理的粘弹性分析[D].南京:东南大学,2006.
