基于弹塑性分析的沥青面层破坏机理探究

2011-11-24周振华

浙江交通职业技术学院学报 2011年2期

周振华

(珠海九洲旅游集团有限公司,广东珠海 519015)

0 引言

1 力学模型与研究方法

沥青混合料作为一种建筑材料已被广泛用于公路、市政道路等道路面层结构中,但是随着高等级道路的飞速发展,沥青路面的毁损状况也越来越引人关注。尽管路损原因错综复杂,既有自然环境因素,又有人为施工质量因素,但从道路本身及其使用功能来看,路面材料及道路所受的汽车荷载因素是两个比较直接的因素。根据以往的研究得知沥青混合料是一种粘—弹—塑性体。本文主要基于沥青混合料的弹塑性特征,针对以上两个比较直接的因素,对半刚性基层沥青路面在车轮载荷作用下沥青面层破坏机理进行一些初步的探究。

1.1 力学模型

力学图示如图1所示,路面结构中面层为沥青面层,基层、底基层为半刚性基层,路基为土基,对于路面结构采用双轮载荷作用来进行分析,p=0.7 MPa,δ=10.65 cm。由于半刚性基层扩散应力的能力很大,在一般车辆荷载作用下传到路基土的应力已很小,其应力状态变化不大,故在本文中的研究把半刚性基层及路基土考虑成线弹性,着重研究沥青面层的弹塑性特征对面层自身结构响应状况的影响。

图1 双轮载力学图示

1.2 研究方法

本文采用的是数值仿真技术,利用美国宇航局开发的大型数值模拟有限元软件MSC-NASTRAN,对上述力学模型进行数值分析。

2 面层结构内塑性区域的扩展状况

根据数值模拟所产生的云纹图 (图2～图6,图中位置参见图7)及最大塑性应变与荷载关系图(见图8),不难发现面层结构内的塑性变化状况。

从图2～图6可见,塑性区域随着荷载级增大逐渐扩展,发生塑性应变并非从面层表面开始,而是在单轮下边的面层中部,然后逐渐向四周扩展。由图可见,塑性区域的中心,即最大塑性应变的位置也随着荷载级增大发生变化,刚开始塑性区中心靠单轮外侧面层中部,而后随着荷载级增大,塑性区域中心逐渐向单轮中心面层中部靠近,最后稳定在此位置。塑性区域的扩展刚开始仅局限于轮下,随着荷载级的增大逐渐蔓延到轮隙处,对于轮隙处则并非先发生在面层中部,而是先发生在面层顶部。另外,塑性区域的形状也随着荷载级的增大而变化,刚开始近似呈圆形区域,随后随着荷载增加,该圆形区域逐渐膨胀、扭曲,而呈下凹状。值得注意的是在荷载达到100%时,单轮中心处的塑性应变始终不明显,这也说明路表塑性变形的累积并非来自面层上部。再由图8可见,一旦发生塑性应变,则塑性应变随荷载增加而急速增加。

由以上分析可知,路表塑性变形的累积主要是面层中部发生了较大的塑性应变,最终发生塑性破坏可能主要先是由单轮中心下面层中部位置处引发,而后向面层表面扩展。从图中可见,发生塑性破坏较明显的位置可能在单轮两侧及轮隙中心处,但是由于路面所受的是随机的、反复的车轮荷载,再加上疲劳破坏、环境和材料自身性质等因素,很难说路面的哪个位置较早发生破坏,但起码可以引发对道路路面破坏的一些较全方面的思考。

图2 60%荷载时的塑性应变情况

图3 70%荷载时的塑性应变情况

图4 80%荷载时的塑性应变情况

图5 90%荷载时的塑性应变情况

图6 100%荷载时的塑性应变情况

图7 沥青路面半结构图

图8 塑性应变与荷载级关系

3 沥青面层破坏机理探究

弹塑性问题是与加载历史有关的,而受车轮载荷作用的路面受的加载历史可谓很复杂,载荷具有突变性、反复性、多样性以及随机性等特点,因而这也加大了对路面塑性破坏过程研究的难度,实质上这应该是一个动态弹塑性问题。为进一步探究塑性区域的扩展规律,对路面塑性破坏有个较深刻的认识,下边主要针对两种加载情况下沥青面层内塑性区域的发展情况作进一步地分析。

3.1 加载情况的设定

两种加载情况都认为是准静态稳定加载,加载情况Ⅰ是先施加荷载P/2,再卸载P/2,然后加载P,最后卸载P,即0→P/2→0→P→0,而加载情况Ⅱ是0→P→0→P/2→0的一个过程。见图9和图10。对于加载情况Ⅰ和Ⅱ主要考察各自在特征点1、2、3、4处的塑性应变情况,然后分析其异同。为了寻找塑性区域发展规律的方便,在此P值取为正常情况下轮胎接触压力的两倍,即1.4 MPa。

3.2 塑性区的变化情况

主要观察轮载路面下的塑性变形区,对于加载情况Ⅰ,轮载下的塑性区域如图11～图14所示;对于加载情况Ⅱ,轮载的塑性区域如图15～图18所示,图中位置参见图7。

图9 加载情况Ⅰ

图10 加载情况Ⅱ

图11 加载情况Ⅰ1点处

图12 加载情况Ⅰ2点处

图13 加载情况Ⅰ3点处

图14 加载情况Ⅰ4点处

图15 加载情况Ⅱ1点处

图16 加载情况Ⅱ1点处

图17 加载情况Ⅱ3点处

图18 加载情况Ⅱ4点处

从图11～图14可以看出,在加载情况Ⅰ时,从1点至2点,塑性应变情况并未发生任何改变,即从塑性状态到弹性状态的过程中并未产生新的塑性变形,符合卸载过程特性。而从2点到3点的加载过程,可以看出塑性应变发生迅猛变化,最大塑性应变剧烈增加,塑性核 (塑性区中心区域)收缩变形扭曲,塑性区域迅速扩大,向轮侧外和轮隙中心发展,塑性区底口呈扩张趋势,并且从这半结构图可以看出,对于双轮载荷下的两侧塑性区域有贯穿轮隙中心连通的趋势。从3点到4点,仍旧符合卸载特性,没有发生新的塑性变形,塑性应变区并没发生扩展或收缩,显然塑性变形被残留下来了,并且比2点时的要大得多,见表1。

从图15～图18可以看出,对于加载情况Ⅱ塑性应变情况自始至终都没发生变化,从1点到2点及3点到4点属于卸载过程,从塑性状态到弹性状态,并没发生新的塑性变形,见表2。而在2点到3点的加载过程中也并没发生新的塑性应变,显然在此期间发生的也只是弹性变形的变化,可由表2知。

表1 加载情况Ⅰ下各历史点位处的变形情况(单位:mm)

表2 加载情况Ⅱ下各历史点位处的变形情况(单位:mm)

通过以上对塑性区的描述分析,我们可以知道,对于加载情况Ⅰ下,当第二次加载超过第一次加载时,塑性区将发生迅猛扩张,塑性应变增长迅速,这就使我们值得重视诸如超载等情况还有由于路面参数的变化而使得正常荷载相对增大而导致塑性区的扩张,塑性应变超过容许值,路表变形过大,而可能会在一次载荷作用下就导致路面结构塑性破坏。

对于加载情况Ⅱ告诉我们,对于第二次加载小于第一次加载的情形下,第二次加载不会增加面层的塑性应变,不会增加塑性变形,改变的只是弹性变形或者说是面层的强度相对提高了,当然前提是第一次荷载并没造成路面结构破坏的情况下,这对路面结构是有利的。