低溫狀況下鳳大高速公路路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

單楠，張云帆，李連友，周婷，顏加俊

(1.長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙410004;2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京100011)

0 引言

瀝青混凝土路面因其良好的路用性能，而被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各等級公路中，但是由于瀝青混合料作為一種粘彈性體，其承載能力以及路用性能都會受到溫度的影響顯著，在低溫狀態(tài)下，瀝青混合料的模量會隨著溫度的降低而顯著的升高，在路面荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力的作用下，道路路面會產(chǎn)生裂縫［1-3］。但是低溫狀態(tài)下，荷載作用以及溫度作用對道路路面裂縫貢獻(xiàn)并不明確，本文通過試驗確定了鳳大高速公路瀝青面層的抗壓回彈模量，并通過有限元分析軟件ANSYS計算低溫狀態(tài)下路面各結(jié)構(gòu)層層底的荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力，明確了低溫狀態(tài)下，道路結(jié)構(gòu)在行車荷載應(yīng)力以及溫度荷載應(yīng)力作用下，各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力的大小，并對荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力對瀝青路面裂縫貢獻(xiàn)進(jìn)行了初步分析。

1 瀝青混合料模量試驗

1.1 試驗條件的確定

湖南省鳳大高速公路地處湖南、貴州交界的省際邊境區(qū)域，位于湖南省湘西西南部地區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°18'～100°20'，北緯27°45'～28°00'。行政區(qū)劃屬于湖南省湘西自治州鳳凰縣。極端最低氣溫-8.5℃，極端最高氣溫39.9℃。本文考察路面結(jié)構(gòu)層低溫狀態(tài)下的荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力，所以選取試驗溫度為-8.5℃，進(jìn)行面層抗壓回彈模量試驗。

1.2 瀝青混合料模量試驗

鳳大高速道路結(jié)構(gòu)面層采用18 cm的瀝青混凝土材料，上面層是4 cm的SMA—13，中面層是6 cm的AC—20C，下面層采用的是8 cm的AC—25C，具體級配組成參見表1，其中SMA—13、AC—20C使用的是SBS改性70#道路石油瀝青，AC—25C使用的是70#道路石油瀝青。SMA—13、AC—20C、AC—25C的最佳油石比分別為6%、4.2%、3.9%。

表1 瀝青混合料級配組成

根據(jù)最佳油石比，按照上述級配拌制以上3種不同類型的瀝青混合料，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中T 0736—2011瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實試件制作方法(SGC方法)成型(尺寸為直徑)Ф100 mm，高度h=100 mm的圓柱體試件，每種混合料平行試件6個。之后將試件放在MTS萬能材料試驗機專用的高低溫環(huán)境試驗箱中保溫24 h以上，試驗溫度為-8.5℃。

將保溫好的試件置于MTS試驗機上，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0713—2000瀝青混合料單軸壓縮實驗(圓柱體法)進(jìn)行試驗。試驗時將荷載分為7級，采用逐級加載-卸載，加載速率為2 mm/min，到達(dá)預(yù)定的加載速率后直接卸載，穩(wěn)壓30 s，測定出加載后變形和卸載后變形，差值即為回彈變形，根據(jù)回彈變形與荷載計算出抗壓回彈模量。見表2。

表2 瀝青混合料-8.5℃抗壓回彈模量

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，瀝青混合材料常溫下抗壓模量設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 瀝青混合料常溫狀態(tài)設(shè)計參數(shù)

對比表2、表3可以看出，瀝青混合料的抗壓回彈模量隨著溫度的降低明顯增大，3種混合料-8.5℃的模量是15℃時模量的2倍以上，由此可見，溫度的作用對瀝青混合料的抗壓回彈模量影響是很大的，這主要是因為瀝青混合料強度由骨料之間的嵌擠力和內(nèi)摩擦力以及瀝青與礦料間的粘聚力兩部分組成，而隨著溫度的降低，瀝青混合料由粘彈性體向彈性體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)而勁度模量逐漸增大，流變性減小，抗壓回彈模量大大增加［4，5］。

2 行車荷載作用下瀝青面層層底應(yīng)力分析

當(dāng)車輪荷載作用在瀝青路面上時，路面各結(jié)構(gòu)層都出現(xiàn)水平向正應(yīng)力，有的出現(xiàn)壓應(yīng)力，也有的出現(xiàn)拉應(yīng)力。各層位出現(xiàn)極限拉應(yīng)力的大小、次序與分布狀況因輪載的位置與整個路面結(jié)構(gòu)的層位不同而不同。瀝青路面結(jié)構(gòu)在車輪的反復(fù)作用下，瀝青面層和剛性、半剛性基層的層底拉應(yīng)力超過極限，形成初始裂縫并擴展至斷裂的過程，屬疲勞斷裂，因此荷載作用是道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因之一［1］。

2.1 路面計算模型

行車荷載作用于模型時計算假設(shè):

1)各層是連續(xù)的、完全彈性的、均勻的、各向同性的;

2)各層位移和形變是微小的;

3)層間接觸情況，或者位移完全連續(xù)，或者層間僅豎向應(yīng)力和位移連續(xù)而無摩阻力;

4)不計自重。

進(jìn)行有限元計算的基礎(chǔ)幾何模型和邊界條件如圖1所示。

圖1 計算模型與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，本文的模型長8 m，高度4.74 m進(jìn)行計算，符合計算精度要求［6］。路面結(jié)構(gòu)采用鳳大高速路面結(jié)構(gòu)層，瀝青面層的模量均為試驗實測值，半剛性基層的模量受溫度影響不大，采用的是規(guī)范推薦的中值，各結(jié)構(gòu)層的材料性能指標(biāo)以及厚度如表4所示。

表4 計算模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 加載方式

在考慮行車荷載對路面的作用時，我國現(xiàn)行的公路瀝青路面采用的是雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，即BZZ—100，BZZ—100采用的輪壓為0.7 MPa，當(dāng)量圓直徑是10.66 cm的圓形均布荷載。但是近年來，很多學(xué)者認(rèn)為，使用矩形荷載更能模擬輪胎與路面的實際接觸情況［7］。本文有限元荷載都是標(biāo)準(zhǔn)荷載，只是將圓形均布荷載轉(zhuǎn)化為矩形荷載來計算，轉(zhuǎn)化到該計算模型后施加的壓力長度為15.68 cm，輪壓0.7 MPa。

本文對模型兩側(cè)進(jìn)行x位移約束，對土基底部進(jìn)行x、y位移約束，并將矩形荷載施加在面層頂部中間，大小為0.7 MPa。當(dāng)車輛在路面上制動或者加速時，需要考慮水平荷載的影響，根據(jù)調(diào)查資料顯示，水平荷載一般為豎直荷載的0.3倍，即0.21 MPa，作為水平荷載，位置同豎直荷載。

2.3 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)以及加載方式進(jìn)行ANSYS計算，得到水平方向各層位應(yīng)力分布圖如圖2所示。

圖2 荷載應(yīng)力分布圖

計算結(jié)果顯示，荷載作用中心位置應(yīng)力較大，各層層底拉應(yīng)力計算結(jié)果如表5所示。

表5 荷載應(yīng)力作用下各層層底應(yīng)力

表5計算結(jié)果表明，在荷載應(yīng)力作用下，瀝青面層層底是壓應(yīng)力，而水穩(wěn)基層層底是拉應(yīng)力。

3 溫度荷載作用下瀝青面層層底應(yīng)力分析

溫度荷載和行車荷載一樣，是使道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力的重要因素，日和季節(jié)性的溫度循環(huán)會使路面結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生很大的疲勞溫度應(yīng)力，在氣溫驟降的情況下會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，有可能導(dǎo)致瀝青路面的一次性拉斷。本節(jié)用ANSYS對路面突然降溫時的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，計算道路各結(jié)構(gòu)層底的應(yīng)力大小［6］。

3.1 路面計算模型

在分析中，將路面結(jié)構(gòu)體假定為平面應(yīng)變溫度應(yīng)力的彈性體，不考慮瀝青混凝土的粘彈性，近似模擬瀝青路面在溫度改變時其內(nèi)部應(yīng)力狀況。本文采用ANSYS計算中間接耦合法計算。

溫度荷載計算時做以下基本假設(shè):

1)各結(jié)構(gòu)層材料為均勻、各向同性的彈性材料;

2)各層位位移和形變是微小的;

3)各結(jié)構(gòu)層的溫度場及溫度應(yīng)力計算參數(shù)不隨溫度變化，為常數(shù);

4)溫度場計算時，路面各結(jié)構(gòu)層的層間界面在溫度變化過程中，始終處于完全連續(xù)狀態(tài);

在進(jìn)行溫度應(yīng)力計算時路面結(jié)構(gòu)層間界面狀態(tài)與行車荷載作用模型相同。

3.2 溫度應(yīng)力分析參數(shù)的選取

溫度應(yīng)力計算的道路結(jié)構(gòu)，依然選取荷載應(yīng)力計算時鳳大高速道路結(jié)構(gòu)，瀝青路面溫度應(yīng)力的計算，與瀝青路面的結(jié)構(gòu)層厚度、路面材料的熱物參數(shù)和力學(xué)參數(shù)有很大關(guān)系，本文根據(jù)調(diào)查資料，確定了風(fēng)大路面溫度應(yīng)力分析的參數(shù)，如表6所示。

表6 溫度應(yīng)力分析參數(shù)

3.3 邊界條件確定以及計算結(jié)果

在溫度場計算的時候只有溫度邊界條件，為了模擬路面結(jié)構(gòu)突然降溫的情形，選取高速冬季最不利季節(jié)的情形，在面層頂部設(shè)置路面極低溫度-8.5℃的降溫幅度，在面層底部和基層頂面設(shè)置-5℃的降溫幅度，在土基頂部認(rèn)為溫度不隨外部氣候的變化而變化，降溫幅度為0℃。進(jìn)行溫度應(yīng)力的計算時在模型的左右兩側(cè)以及地面設(shè)置位移邊界條件，將溫度場計算的結(jié)果作為荷載施加于模型中。具體結(jié)果見溫度分布圖圖3與應(yīng)力分布圖圖4。

圖3 溫度應(yīng)力計算模型溫度場計算結(jié)果

圖4 溫度應(yīng)力計算結(jié)果

溫度應(yīng)力作用下各層層底應(yīng)力情況如表7所示。

表7 溫度應(yīng)力作用下各層層底應(yīng)力

溫度應(yīng)力計算結(jié)果顯示，在瀝青面層和水穩(wěn)基層層底，均是拉應(yīng)力，并且面層拉應(yīng)力大于基層。

4 結(jié)論

在氣候溫度調(diào)查的基礎(chǔ)上，對鳳大高速路面結(jié)構(gòu)中幾種路面材料在極寒溫度下進(jìn)行抗壓模量試驗，得到了鳳大高速公路幾種路面材料的低溫模量。在所得模量基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了計算，得到了在極低溫度下路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下與溫度作用下各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力大小情況，分析得到以下結(jié)論:

1)基于鳳大高速的路面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了低溫模量試驗，對比了常溫下瀝青混合料的模量，可以發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的模量受溫度影響較大，-8.5℃的模量是15℃時模量的2倍以上，這是由于隨著溫度的降低，瀝青混合料由粘彈性體向彈性體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)而勁度模量逐漸增大，流變性減小，抗壓回彈模量大大增加。

2)基于鳳大高速路面結(jié)構(gòu)，通過模量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行荷載應(yīng)力計算，可以得知，在極低溫度狀態(tài)下，道路結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下，瀝青面層層底應(yīng)力是壓應(yīng)力，半剛性基層層底是拉應(yīng)力，從面層到基層總體趨勢是由壓轉(zhuǎn)拉。同時進(jìn)行了溫度荷載應(yīng)力計算，可以得知，瀝青面層層底與基層層底應(yīng)力全是拉應(yīng)力，面層拉應(yīng)力從上往下由大轉(zhuǎn)小，基層層底拉應(yīng)力幾乎不變。

3)瀝青路面在低溫下，裂縫是主要病害，通過對鳳大高速路面結(jié)構(gòu)行車荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力計算可知，行車荷載應(yīng)力作用下，瀝青面層層底應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，在半剛性基層層底才出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以在荷載的作用下會使半剛性基層先開裂，然后在車輛荷載與溫度荷載的聯(lián)合作用下，形成反射裂縫，而在溫度應(yīng)力的作用下，瀝青面層和半剛性基層層底都是拉應(yīng)力，這樣就可能形成上述所說的反射裂縫，也可能在溫度驟降過程中，導(dǎo)致瀝青路面一次拉斷，形成top-down裂縫。

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