层间接触状态对沥青路面结构的力学响应分析

朱林涛

（汕头大学，广东 汕头 515063）

0 引言

我国沥青路面的设计方法是以弹性层状体系理论为基础的，能够较好地反映沥青路面的分层铺装特性和应力状态，一般可以作为力学-经验法的理论模型。该理论要求在实际应用和施工过程中，沥青路面各层构造在接触条件上满足层间完全连续性以及材料的弹性、受力均匀性和材料、受力各向同性的理论假设。在实际的沥青路面施工过程中，为了保证层与层之间的施工质量，现已有众多技术措施来支持，比如设置粘层、透层、封层，更能够根据不同的状况灵活地选取几种技术措施。但是因为路面作业的交叉与间断操作，或者由于车辆与人通行之后清扫不及时，导致沥青各个面层之间或基层与下面层之间的黏结性能受到影响，遇水后会形成淤泥，从而造成污染。路面各个结构间的黏结状态由连续转变为半连续、甚至滑动状态，这一变化使路面的完整性和使用寿命受到重大影响。因此，以弹性层状体系理论为基础，从实际受力状态出发，充分考虑路面结构的实际接触情况，才能获得路面设计最理想的效果。

1 对沥青路面应力的相关分析

1.1 弹性层状体系理论

路面设计时，以沥青混凝土路面为例，它的设计规范依据是弹性层状体系理论。关于沥青路面结构的设计从过去到现在有众多的理论基础，此弹性层状体系理论已经能够较好地反映路面结构的实际受力状态，因此在计算时多采用该理论。并且随着计算机技术的迅速发展，利用计算机对弹性层状体系结构（沥青路面结构）进行精确计算，使得利用计算机对数据结果加以修正以获得可靠的数据信息的目的得以实现。

1.2 有限元分析方法

应用有限元方法对沥青路面结构层间接触状态进行研究主要形成了两种思路。第一种是根据已有的路面设计软件和自己编写的有限元程序来改变层间剪切模量的方法来实现。第二种是利用大型有限元软件如ansys、abaqus等，设置不同的层间摩擦系数来对应不同的路面层间接触状态。有限元软件的出现为解决复杂结构的受力计算问题提供了有力的保障和支持。路面层间接触的分析属于非线性分析的范畴，有限元分析对于由于车辆荷载和温度引起路面的非线性变化有完善的计算系统。车辆行驶过程中可能会面临时经常性的刹车制动与起步，这一过程会产生水平作用力，在接触分析这一领域还可以研究水平制动力对沥青面层的力学响应，利用已建好的有限元模型分析各个力学指标的变化规律。

1.3 流变学和黏弹性力学

这两种学科发展至今已有50多年的历史，主要被国外学者应用来研究一些材料的特性。对沥青路面所受荷载的加载规律研究发现，路面结构上主荷载——车辆驱动荷载既属于一种动态荷载，又具备瞬时荷载的循环重复的加载特点，所以沥青路面在这种车轮的驱动荷载作用下明显会出现应变滞后现象和应力松弛现象。这两门科学为系统地研究和阐述沥青路面结构受力的机理提供了重要的理论支持的指导，然后以此为前提提出一种科学的检测方法，使计算所得的数据准确科学。

2 层间接触状态对沥青路面结构的力学响应分析

2.1 沥青路面结构材料参数的确定

2.1.1 沥青路面结构材料参数

在进行有限元分析的时候，需要解决以下几个方面的问题：建立合适的计算模型，划分合理的网格方便计算和便于精准计算，充分考虑几何边界条件等问题。同时，还需要选择适当的参数值来区分不同的接触类型，本文将通过设置不同的摩擦系数来区分。在确定模型尺寸的时候，先参考相关文献中沥青路面的理论模型尺寸，再结合计算的需求、有限元软件分析计算速度和计算机的计算运行因素，建立模型尺寸长宽高分别为5m×5m×2m（长×宽×高）。网格划分的时候为了更好地接近实际状态和方便准确的计算分析，可以依据的原则是根据荷载作用区域的影响范围，车辆荷载作用较近的区域划分为密集网格，荷载作用较远的区域划分为稀疏网格。根据已有高速公路的材料参数确定本文路面结构材料参数，如表1所示。

荷载作用的计算模型为双圆均布荷载。一侧两个车轮的总载荷为50kN，载荷圆半径为10.65cm。

2.1.2 根据接触状态计算分析

接触分析的研究思路是在有限元软件中将其设置为约束状态，这个是可以通过有限元软件设置功能来实现的，并以此模拟路面结构层的整体受力，将计算结果与弹性层状体系理论模型数据进行对比，证明本模型的合理性。针对接触和连续两个模型在弯沉和剪应力等力学指标做一个计算结果的分析对比。再针对接触模型，改变不同的摩擦系数来对应不同层间接触状态，最后得出接触模型更符合路面的实际受力状态，接触模型的计算结果更有利于指导工程施工、路面设计等。

2.2 不同接触状态数值计算

2.2.1 不同接触状态最大剪应力数值计算

使得沥青路面结构层产生病害的原因有很多，但剪应力在其中发挥着不可忽视的作用。在摩擦系数μ=0.5的连续模型和接触模型中，沿垂直结构层的最大剪应力出现在层底。从上到下，连续模型的最大剪应力低于接触模型的最大剪应力，且沿截面的变化趋势更加缓和。计算结果对比分析如图1，2所示。

表1 国内知名高速公路材料参数

通过对两层底部剪应力曲线图的对比分析，发现最大剪应力均出现在载荷区域以下的边缘，接触模型上层最大剪应力的变化趋势大于连续模型上层的变化趋势，与检测数据对比，接触模型更符合路面的实际应力状态。连续模型（理想模型）中的最大剪应力和整体剪应力相对于实际受力较小，且应力扩散现象出现在地基中，以此结果进行路面设计将导致路面结构层厚度的不足。两种模型的剪应力对比如2所示。

2.2.2 层面弯沉值计算

在JTGD50—2017《公路沥青路面设计规范》中，路面施工结束时，为保证路面结构的强度和承载能力达到相应的指标要求，设置了一系列力学指标，弯沉值就是其中一项重要的检测指标。但是，调查结果显示，大多数正在使用的高速公路，实际检测的路面弯沉值与路面损坏之间无明显的关联。也就是说，公路正常使用的时候，沥青路面层与层交接的地方接触状态和相互作用的方式逐渐改变。应用有限元软件对沥青路面结构进行力学分析时，设置不同的层间摩擦系数来对应不同的层间接触状态。综合考虑不同的层间接触状态，从接触良好（μ=0.7）到接触不良（μ=0.3），计算所得弯沉值的数值曲线如图3～5所示。

图1 连续模型层底剪应力曲线

表2 两种模型最大剪应力值及增幅

图2 接触模型层底剪应力曲线

图3 面层弯沉值计算结果

图4 基层弯沉值计算结果

图5 底基层弯沉值计算结果

根据曲线图可以看出，靠近单圆轴中线的位置发生较大的变形，挠度达到峰值，两圆间隙内范围挠度变形较大，距离荷载作用范围越远，挠度变形越小。挠度大小变化规律与距离荷载作用区的远近有关，跟不同的摩擦系数无关。摩擦系数对应着层间接触的程度，摩擦系数越小，层间不连续程度增加，沥青面层底部挠度大小几乎无变化，底基层底部挠度增大趋势最为明显，增加了25.6%，沥青路面结构总弯沉主要部分就是底基层底部产生的挠度变形。各层在不同摩擦系数下的最大挠度值如表3所示。

3 沥青路面应力的影响因素分析

3.1 沥青层厚度对应力分布的影响

本文为研究沥青路面厚度与其应力分布的作用机理，选取4种厚度分别为8，12，15，18cm的沥青路面，建立了不同厚度的路面有限元模型，选择剪应力为主要研究力学指标。主要结论如下：①沥青路面结构的沥青面层厚度是影响沥青路面受力状态和强度的重要因素；②当沥青路面厚度超过18cm时，沥青路面与基层之间的剪应力趋于零，而沥青路面的剪应力则随着沥青路面厚度的增加而增大。③沥青路面面层厚度越小，沥青面层与基层之间的剪应力越大。

3.2 沥青路面模量对应力的影响

沥青路面出现车辙是很常见的现象，它的产生是多种因素综合作用的结果，温度影响和荷载是两个重要原因。由于沥青路面材料具有黏弹性，应力引起的车辙实际上是沥青路面材料在高温作用下的状态变化。因此，路面层车辙的产生不仅与路面所受荷载产生应力有关，而且受温度的影响比较明显。沥青混合料的受力状态随温度而改变的特性，直接对路面质量产生影响。在高温状态影响下，沥青混合料具有黏弹性、塑性体性质，承受车辆带来的荷载压力和少量的应力作用时，会产生由于温度变形而产生的变形力，这种力会对沥青路面结构带来永久性的破坏，路面遭到破坏之后，车辆的正常行驶也受到了影响。温度对沥青路面的刚度模量会产生十分显著的影响。混合料的刚度模量随着温度的升高而降低，成反比例关系，沥青路面刚度模量降低对路面受力的影响大。

4 结语

比较分析之后可以得出以下结论：路面结构层表层的剪应力较大的时候，底层的剪应力也达到峰值。基层或下部基层的路面厚度会影响路面沥青层的变形，大体成正比例关系。对沥青路面结构设计和使用年限分析时，除了考虑路面的荷载作用外，还应考虑到在高温下的稳定性。当路面模量减小时，路面内部的激振力略有提高，这时路面如果受到高温的影响就容易发生由温度应力引起的破坏。而提高或减小基层厚度和模量等变化时，路面剪应力大小的变化不显著。

表3 不同摩擦系数下最大弯沉值 mm