郭 芳 顧 維
(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410132;2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長沙 410015)
氣候條件是影響公路路面使用性能的重要因素之一[1]。我國幅員遼闊,各地區(qū)氣候差異顯著,路面結(jié)構(gòu)溫度場也存在明顯差異[2]。瀝青混合料是典型的溫度敏感性材料,路面溫度場會直接影響路面的耐久性和適用性[3-4]。我國絕大多數(shù)高等級公路路面基層為半剛性基層,有許多突出優(yōu)勢,但干縮和溫縮開裂易使面層出現(xiàn)反射裂縫,加之“水敏感”“水加速損壞”特點(diǎn),極易造成結(jié)構(gòu)型水損壞[5]。目前,組合式基層也逐漸應(yīng)用于工程實(shí)踐,但仍在探索階段。本文通過ABAQUS有限元仿真模型模擬結(jié)構(gòu)溫度場,對結(jié)構(gòu)層進(jìn)行溫度梯度計(jì)算,并在典型路段進(jìn)行溫度場實(shí)測,對比分析實(shí)測值與計(jì)算值,以期充分掌握組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律,為瀝青路面車轍深度和疲勞損傷計(jì)算打下基礎(chǔ)。
在大型有限元軟件ABAQUS瀝青路面溫度場熱學(xué)分析中,分穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱。計(jì)算模型采用DC2D8八節(jié)點(diǎn)四邊形熱傳導(dǎo)單元進(jìn)行分析。取一個(gè)車道寬度3.75 m,深度3 m。由于瀝青層是溫度場研究的重點(diǎn)層位,對溫度變化敏感,加之后期需要對車轍進(jìn)行分析,所以上部網(wǎng)格劃分較細(xì)。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。
圖1 模型網(wǎng)格的劃分
溫度場邊界條件確定依據(jù)該高速公路所在地區(qū)的實(shí)測氣象資料,包括氣溫、太陽輻射、路面有效輻射及對流熱交換等。可在ABAQUS的Interaction模塊和Load模塊,通過用戶子程序1和2,分別定義路面溫度和熱流隨時(shí)間的變化[6]。通過建立瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)ABAQUS分析步,得到溫度場分析結(jié)構(gòu)文件。
1.2.1 太陽輻射
根據(jù)前人研究[7],太陽輻射q(t)可由式(1)表示。
1.2.2 氣溫和對流熱交換
這兩項(xiàng)參數(shù)可通過組合兩個(gè)正弦函數(shù)模擬實(shí)現(xiàn),見式(2)。
1.2.3 路面有效輻射
本文采用ABAQUS進(jìn)行模擬分析。路面結(jié)構(gòu)類型考慮典型的半剛性基層和設(shè)置級配碎石的組合式基層結(jié)構(gòu),在瀝青穩(wěn)定碎石層與半剛性底基層之間設(shè)置了一層級配碎石,路面結(jié)構(gòu)厚度及材料的熱工參數(shù)如表1所示,其中,材料密度通過實(shí)驗(yàn)測得,其余參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)和資料得到[9]。
表1 路面結(jié)構(gòu)厚度及熱工參數(shù)
采用ABAQUS模型模擬計(jì)算連續(xù)變溫條件下的路面溫度場,可得到變溫條件下組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度場,其72 h分布情況如圖2所示。
圖2 72小時(shí)路面結(jié)構(gòu)溫度場分布
由圖3可知,路表溫度與氣溫的變化趨勢基本一致。隨著深度的增加,各結(jié)構(gòu)層溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后。日最高氣溫在14:00左右,路表的最高溫度與日最高氣溫同步,而路面結(jié)構(gòu)10 cm深度處的最高溫在15:30。
圖3 組合式基層路面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律
取瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25層厚分別為10 cm、14 cm、18 cm和22 cm,計(jì)算ATB層厚變化對組合式基層瀝青路面溫度場的影響,與半剛性基層瀝青路面比較,在72 h內(nèi)的溫度梯度變化規(guī)律如表2所示。
表2 溫度梯度最大、最小值和極差 單位:℃/cm
根據(jù)表2可知:
(1)在72 h內(nèi),無論是半剛性基層還是組合式基層,其瀝青面層都經(jīng)受正-負(fù)溫差的不斷循環(huán),這種反復(fù)膨脹-收縮的周期性溫度變化而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力極易引起溫度疲勞破壞。
(2)隨著ATB厚度的增加,瀝青層溫度梯度不斷減小,層厚從20 cm增加到32 cm,溫度梯度最大值由1.5℃/cm下降到1.1 ℃/cm,極值由1.8 ℃/cm下降到1.2 ℃/cm。所以,增加ATB厚度可有效減小面層溫度梯度,衰減外界溫度變化,改善結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境。
(3)半剛性基層瀝青面層的溫度梯度最大,其72 h最大溫度梯度是1.7 ℃/cm,極差為2.2 ℃/cm。兩類結(jié)構(gòu)的路表和瀝青層層底溫差一致,充分說明組合式基層結(jié)構(gòu)改善面層溫度梯度的能力強(qiáng)。
在組合式基層瀝青路面中,水泥穩(wěn)定碎石下基層的溫差隨時(shí)間變化的曲線圖如圖4所示。
圖4 水泥穩(wěn)定碎石層溫差隨時(shí)間變化曲線
通過計(jì)算可知:和半剛性基層相比,組合式基層加入了15 cm級配碎石,其溫度變化速率、溫度梯度降低,有效改善下臥半剛性基層的溫度狀況,從而減輕水泥穩(wěn)定碎石層發(fā)生溫縮和干縮的可能,從而減少面層的反射裂縫。因此,設(shè)置具有一定厚度的級配碎石能較好地延緩半剛性基層的溫度縮裂。
在某高速公路組合式基層瀝青路面試驗(yàn)路段,每層瀝青結(jié)構(gòu)中部安裝溫度傳感器,以便跟蹤觀測不同深度的結(jié)構(gòu)溫度。對于同一路面結(jié)構(gòu)方案,每一層設(shè)置2個(gè)測試斷面,一方面消除差異性便于對比分析,另一方面避免個(gè)別傳感器損壞無法采集數(shù)據(jù)。
大氣溫度測試采用水銀溫度計(jì),瀝青路表溫度測試采用水銀溫度計(jì)配合紅外熱像儀。內(nèi)部溫度傳感器測試采用NTC熱敏電阻,為方便埋設(shè)和數(shù)據(jù)采集,傳感器埋置在硬路肩中間位置,量程為-30 ℃~100 ℃,精度為0.1 ℃。為保證精度,傳感器埋設(shè)前用精密水銀溫度計(jì)標(biāo)定。
該高速公路所在區(qū)域?qū)儆跐駸岬貐^(qū),低溫特征不明顯,高溫天氣集中在6月—9月,持續(xù)時(shí)間長,極值低溫多見于12月、1月,范圍為0 ℃~5 ℃。2020年8月—2021年1月,該高速公路竣工驗(yàn)收后對其路面溫度進(jìn)行了持續(xù)觀測,含該時(shí)間段全年極端低溫、極端高溫和一般情況。溫度采集頻率1次/h,記錄瀝青路面結(jié)構(gòu)各方案各測點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程。圖5的溫度變化曲線是B結(jié)構(gòu)在2020年8月5日24 h內(nèi)各深度處的數(shù)值解和實(shí)測值。
圖5 路面各深度溫度變化曲線
對比溫度場的數(shù)值計(jì)算值和實(shí)測結(jié)果可知:
(1)相對于數(shù)值解,溫度實(shí)測值波動較大,變化曲線不甚光滑,但兩種方法在不同深度處溫度場變化趨勢一致性良好,也就是說,ABAQUS模型能較好地模擬結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。
(2)在2 cm深度處,兩者一致性高,但結(jié)構(gòu)溫度低于30 ℃兩者相差較大,且計(jì)算值低于實(shí)測值,與ABAQUS模型的初始溫度設(shè)置有關(guān)。隨著深度加大,深度為7 cm時(shí)兩者一致性降低。隨著路面深度繼續(xù)加大,實(shí)測路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化相對平緩,在14 cm處,0:00—12:00,大部分實(shí)測值高于計(jì)算值,12:00—24:00,大部分實(shí)測值小于計(jì)算值;而在22 cm處,實(shí)測的溫度變化值則更小,尤其是30 ℃以下,實(shí)測值明顯高于計(jì)算值,說明深度越大,受路表溫度影響的程度越低??傊?,2 cm、7 cm深度處的預(yù)估溫度與實(shí)測溫度相差不大,在14 cm處有波動,在22 cm深度處絕大多數(shù)時(shí)刻計(jì)算值略高于實(shí)測值。
選取夏季高溫一個(gè)月的溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探究各深度計(jì)算值與實(shí)測值的相關(guān)程度。如圖6所示。
圖6 實(shí)測值和數(shù)值計(jì)算值對比
圖6中繪出了45°對角線及其±5 ℃線,不難看出,溫度場實(shí)測值與計(jì)算值具有良好的一致性。越靠近路表,計(jì)算溫度和實(shí)測溫度的相關(guān)性越好。兩者存在一定差異,主要與ABAQUS模型邊界條件的假設(shè)及簡化、初始溫度、熱物參數(shù)與實(shí)際情況的差異有關(guān)系。
(1)組合式基層路面結(jié)構(gòu)溫度場呈周期性的變化規(guī)律,隨著深度的增加,溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后。
(2)設(shè)置級配碎石的組合式基層結(jié)構(gòu)能有效改善半剛性基層的溫度狀況,產(chǎn)生干縮、溫縮現(xiàn)象的可能性降低,可減少反射裂縫的產(chǎn)生。
(3)與組合式基層相比,水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)瀝青面層溫度梯度較大,增加ATB厚度能有效減小瀝青面層溫度梯度,從而改善結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境。
(4)溫度場實(shí)測值與計(jì)算值具有良好的一致性,采用連續(xù)變溫的溫度場模型可基本滿足后期車轍和疲勞計(jì)算的需求。