沥青路面基层与面层局部粘结失效的受力分析

魏 姗，杨庆国，谷建义

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074))

沥青路面基层与面层局部粘结失效的受力分析

魏 姗，杨庆国，谷建义

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074))

采用ANSYS通用计算软件，考虑不同的粘结状态，对沥青路面基层和面层间局部粘结状态变化时，各层底面的最大主应力和最大剪应力的变化情况进行计算。结果表明:当车轮荷载作用在粘结状态变化区域时，上面层和下面层底面的最大主拉应力随粘结的失效显著增加，中面层底面的最大主拉应力和各层底面的最大剪应力受粘结状态变化的影响较小;当车轮荷载作用在粘结状态完好区域边缘时，各面层底面将产生较大的剪应力，但最大剪应力受粘结状态变化的影响较小。

沥青路面;面层;基层;局部;粘结状态;拉应力;剪应力

沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，建设速度快，维修方便［1］。因此，我国新建的大部分公路和城市道路都采用沥青路面。在进行路面结构层厚度设计计算时，采用的理论模型为弹性层状连续体系理论模型［2-3］。弹性层状连续体系模型的层间状态的核心是“连续”，即各材料层之间的边界条件被视为连续的，即沥青路面各面层之间、面层与基层之间、基层与底基层之间都是完好粘结在一起的整体。因此，做好基层和面层间处治工作对保证路面结构在运营期内优良的使用质量是非常关键的［4］。

JTJ 014—97《公路沥青路面设计规范》中规定，为保证面层与基层之间不产生相对滑动，在沥青面层与半刚性基层或粒料基层之间应设置透层沥青。然而，现场取芯的结果表明:这种措施不能充分保证两层材料的完全粘结;另一方面，由于半刚性材料和沥青混合料的材料性质明显不同，在后期荷载和环境的作用下，面层与基层间的层间粘结状态也将发生变化。可见沥青路面的实际层间状态是偏离设计中的层间连续状态的。

近年来，层间粘结状态的变化对沥青路面各层应力的影响已经引起学者们的关注［1，5-7］。目前研究的重点是层间粘结状态整体变化的情况，即假设整个路面结构中层间粘结状态完全一样。其中对半刚性基层沥青路面层间处于完全连续，完全滑动状态条件下路面各层的受力分析较多;由于层间处于完全连续和完全滑动只是2种理想的状态，有必要关注层间处于半连续半滑动状态时的受力响应。

在实际路面中很少存在整个路面的层间粘结状态同时发生变化的情况。从沥青路面的应用和其所受作用的角度来看，沥青路面层间粘结状态的变化是一个衰变的过程。层间粘结效果是从一个小范围内开始逐渐变化的，随着损伤的积累，层间粘结效果越来越差，层间粘结状态变化的区域也越来越大，并逐步演变成路面的早期病害。因此，进一步研究沥青路面局部粘结状态变化对路面结构的受力影响显得更有意义。

笔者采用通用有限元软件ANSYS建立不同工况下的有限元模型，分析沥青路面下面层和基层间局部粘结状态的变化对路面各层底面的最大主应力和最大剪应力的影响，重点对下面层底面的最大主应力和最大剪应力进行分析。

1 沥青路面基层和面层局部粘结状态变化的力学模型建立

1.1 路面结构模型设定

采用ANSYS有限元软件对沥青路面进行三维仿真，计算分析沥青路面基层与面层间局部粘结状态的变化对路面各层受力的影响。计算采用典型的半刚性基层沥青路面结构形式［8］，研究对象由中粒式沥青混凝土上面层、粗粒式沥青混凝土中面层、沥青碎石下面层、水泥稳定碎石上基层、二灰土下基层、土基组成，其中各层的相关参数如表1。

表1 路面结构参数Tab.1 Material parameters of road structure

1.2 模型尺寸的选择和计算假定

笔者着重分析在车轮荷载作用下，沥青路面基层与面层间局部粘结状态的变化对路面各层受力的影响。由于在车轮荷载作用下，路面各层的拉应力峰值出现在荷载接触面附近一定范围内，剪应力峰值出现在荷载接触面范围内［1］，因此在充分考虑车轮接地尺寸和垂直应力等特征后，确定计算模型的平面尺寸为3 m×3 m。

为了分析基层和面层间粘结状态变化对路面各层的受力影响，粘结状态变化区的尺寸要大于车轮接地尺寸一定范围;为了区分基层与面层间局部粘结状态变化与整体粘结状态变化对路面各层受力影响的不同，粘结状态变化区域的尺寸不宜超出车轮接地尺寸太多。综合分析后，确定模型的中部粘结状态变化区域的平面尺寸为0.6 m×0.6 m。

计算采用通用有限元计算软件ANSYS进行，对材料性质及各层边界条件做如下假设:

1)各结构层为均匀、连续、各向同性的线弹性体［5］;

2)地基底面各项位移和转角为0，基层及面层侧向约束法线的水平位移［1］;

3)考虑层间部分结合状态为完全连续或完全光滑，以及半连续半光滑的情况(考虑摩擦系数为0，0.2，0.4，0.6，0.8，1)，其它区域粘结完好。

1.3 荷载参数选取和工况设定

由于模型的对称性，计算中采用1/2模型进行分析，车轮荷载采用标准轴BZZ-100，轴重100 kN，轮压0.7 MPa，考虑车辆车轮制动时对路面产生的水平荷载，水平荷载取0.5P(P为垂直荷载)。

为便于有限元分析，轮压作用范围设定为16 cm×20 cm的矩形，双轮中心距为32 cm，两侧轮隙间距为180 cm。

由于层间局部粘结状态变化区域的存在，当车轮荷载作用在不同位置时，路面各层将产生不同的力学响应。根据计算分析知，当荷载作用在粘结状态变化区时，各面层底面将产生较大的主拉应力;当荷载作用在粘结状态完好区域边缘时，各面层底面将产生较大的剪应力。因此，分析中考虑2种荷载工况:

1)荷载作用在粘结状态变化区，荷载作用位置如图1;

2)荷载作用在粘结状态完好区域的边缘，荷载作用位置如图2。

1.4 网络划分与单元选取

计算中主要分析各面层受局部粘结状态变化的影响，因此为了保证计算精度，采用精度较高的六面体单元solid 65来模拟沥青路面的上面层、中面层、下面层和上基层;采用四面体单元solid 92来模拟下基层和土基。综合考虑计算效率和计算精确度，六面体单元solid 65采用精度较高的六面体网格进行划分，四面体单元solid 92采用自由网格进行划分。

2 荷载作用在层间粘结态变化区时的受力分析

2.1 基层和面层间局部粘结状态变化对各面层底面最大主应力的影响

当车轮作用在层间粘结状态变化区域上部时，沥青路面各层底面将产生较大的主拉应力，最大主拉应力出现在车轮边缘的下方。计算结果见表2。

表2 层间局部粘结状态变化时路面各层底面的主拉应力S1计算Tab.2 The maximal tensile stress S1calculation table of each layer’s bottom /MPa

从表2的数据可以看出，当车轮荷载作用在层间粘结状态变化区域上部时，沥青路面下面层底面的主拉应力较大，并且随着层间摩擦系数的减小，最大主拉应力会随之增加，当粘结状态变化区域处于光滑接触状态时，下面层底面的最大主拉应力达到完全连续状态的2倍以上，结果分析见图3。当沥青路面面层与基层处于完全连续状态时，路面中面层底面的最大主拉应力为0.248 MPa，当基层和下面层出现局部粘结变化时，随着粘结性能的失效，最大主拉应力会有所减小，但减小幅度不大，因此对路面结构的影响也不大，其分析结果见图4。

沥青路面下面层与基层间局部粘结状态的变化，会导致上面层底面最大主拉应力的增加，当粘结状态变化区域由完全连续状态变为完全滑动状态时，上面层底面的最大主拉应力增加大概40%左右，其分析结果见图5。

2.2 基层和面层间局部粘结状态变化对各面层底面最大剪应力的影响

当车轮荷载作用在粘结状态变化区域的上部时，各面层底面产生较大的剪应力，其计算结果见表3。

Tab.3 The maximal shear stress Syzon each layer’s bottom with the change of bonding condition /MPa

由表3的数据可知，在车轮荷载的作用下，沥青路面上面层和中面层底面产生较大的剪应力，但剪应力受粘结状态的影响很小;沥青路面下面层底面的剪应力较小，但受层间粘结状态的影响较大，层间粘结状态由完全连续状态变为完全滑动时，下面层底面的最大剪应力减小大概一半，其分析结果见图6。

图6 层间粘结与下面层底面最大剪应力Syz关系Fig.6 The maximal shear stress Syzof the bottom layer’s bottom with the change of bonding condition

由于当车轮荷载作用在粘结状态变化区时，下面层底面的剪应力很小，因此在这种荷载工况下局部粘结变化对路面结构的影响很小。

由此可见，局部层间粘结状态的变化对各面层底面的主拉应力有很大的影响，特别是对下面层底面的主拉应力有很大的影响。下面层和基层之间部分粘结的失效，会使下面层底面主拉应力大幅度增加，从而导致层间粘结的进一步破坏。

3 荷载作用在层间粘结状态完好区边缘时的受力分析

当车轮荷载作用在粘结状态完好区域的边缘时，路面各层底面将产生较大的剪应力，最大剪应力出现在车轮正下方。计算结果见表4。

表4 层间局部粘结状态变化时路面各层底面最大剪应力Syz计算Tab.4 The maximal shear stress Syzon each layer’s bottom with the change of bonding condition /MPa

由表4的计算结果可知，当车轮荷载作用在结合状态完好区域的边缘时，路面各层底面的剪应力很大，由于荷载作用在下面层和基层粘结完好区域，因此受层间部分粘结状态变化的影响很小。

4 结论

针对沥青路面出现基层和面层间局部粘结状态变化的情况，通过有限元方法分析了在不同的荷载工况下，局部粘结状态变化对路面各层底面最大主拉应力和最大剪应力的影响，主要得到了以下几点:

1)荷载作用在粘结状态变化区时，基层和面层间局部粘结的失效会使下面层和上面层底面的最大主拉应力大幅度增加，特别是下面层底面的最大主拉应力，增大幅度达2倍以上。

2)荷载作用在粘结状态变化区时，各面层底面的剪应力很小，且中面层底面的最大主拉应力和各面层底面的最大剪应力受粘结状态变化的影响较小。

3)荷载作用在结合状态完好区边缘时，各面层底面产生较大的剪应力，但受层间粘结状态的影响很小。

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Stress Analysis on Different Partial Bonding Condition between Base Course and Surface Course of Asphalt Pavement

WEI Shan，YANG Qing-guo，GU Jian-yi
(School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Maximum principal tensile stress and maximum shear stress on each layer’s bottom caused by the changes of the partial bonding condition between the base course and the surface courses of asphalt pavement are be calculated by ANSYS.The results show that when the wheel loads act on bonding failure area，the maximum principal tensile stress will have a significant increase in the top surface layer’s bottom and the bottom layer’s bottom;the maximum principal tensile stress has little influence on the middle surface layer’s bottom;and maximum shear stress has little influence on the bottom of each layer.When the wheel loads act on intact area，shear stress has little influence by the bonding condition near the bonding failure area.

asphalt pavement;surface course;base course;bonding condition;tensile stress;shear stress

U416.217

A

1674-0696(2011)03-0403-04

2011-03-10;

2011-04-08

魏 姗(1987-)，女，河南商丘人，硕士研究生，主要从事桥梁、道路及力学方面的研究。E-mail:530774684@qq.com。