湿度影响下的重载交通沥青路面动力响应

陶泽峰， 钱劲松， 凌建明， 蔡　氧

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)



湿度影响下的重载交通沥青路面动力响应

陶泽峰， 钱劲松， 凌建明， 蔡氧

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

摘要：考虑地下水和雨水入渗的影响，运用ABAQUS软件建立重载交通沥青路面动力分析模型，分析地下水上升和降雨入渗引发路基湿度变化后的路基动态回弹模量分布规律，以及三轴双轮移动重载作用下沥青路面的动力响应.分析结果表明，地下水距路基顶面越近，对路基模量的分布影响也越显著，降雨入渗与动载共同作用处的路基模量折减更明显；地下水位距路基顶面高度从6 m减至2 m时，面层层底拉应变由70×10-6增至173×10-6；降雨强度增大对外侧车道处的面层层底拉应变影响巨大，对中间车道的影响较小；降雨天数增加，两侧车道的面层层底拉应变反而减小，而中间车道的趋势相反，拉应变随着降雨天数增加而增大.

关键词：道路工程； 动力响应； 路基湿度； 重载交通

湿度是影响沥青路面长期性能的重要因素，常见的路面水损坏和路基湿化均与湿度有明显的关联.同时，受降雨入渗和地下水波动影响，路基模量的衰减也将进一步导致路面长期性能的衰变，而交通超载更加剧了荷载与水的耦合作用.故湿度不仅直接影响路面应力状态，而且也会通过改变路基模量而增大路面响应，显著降低路面的疲劳使用寿命.因此，有必要研究湿度影响下的重载交通沥青路面动力响应.

国内外对动荷载作用下的沥青路面动力响应的研究较多[1-3]，而湿度影响沥青路面的分析多仅从路面自身角度考虑，认为路面内部的孔隙水压力是沥青路面损坏的主要诱因[4-5]，分析了饱水沥青路面的动力响应[6-7]，而忽略了路基路面一体化的前提下，湿度敏感性更强的路基在应力与湿度状态变化时导致的路面响应及路面破坏.

为此，本文建立了ABAQUS三维有限元模型，运用流-固耦合分析类型，结合考虑湿度的修正路基回弹模量本构模型，揭示湿度变化后的路基模量分布规律，为解释路基路面一体化前提下的路面动力响应提供依据.设置三轴双轮的移动重载，分析重载交通沥青路面在湿度影响下的动力响应，对降雨和地下水位等做影响因素分析.

1三维有限元模型

1.1模型结构及材料参数

考虑到公路路基结构的对称性，取半幅路进行分析.路基填高2 m，路面厚度0.66 m，其中沥青混凝土面层0.16 m，水泥稳定基层0.50 m，根据上海某高速公路设计方案，路面材料参数取值见表1；道路半幅宽12 m，沿行车方向取16 m，中央分隔带取2 m；路基边坡坡度比为1∶1；考虑到地下水位埋深，地基深度取8 m.采用ABAQUS通用有限元程序提供的流固耦合单元C3D8P，左右前后边界分别为横向固定约束，无水平位移；底部为横向和竖向固定约束，无水平和垂直位移.

表1　面层、基层动态材料参数

降雨入渗导致土体孔隙水压力发生变化，一方面会改变土体有效应力，另一方面，渗透系数、孔隙率的变化又反作用于孔隙水的流动和压力的分布.故需要考虑土体内部的渗流场和应力场之间的相互耦合作用.本文在有限元里设置渗透系数随基质吸力的变化关系，如式(1)所示.

(1)

式中：Kw为土体的渗透系数；Kws为土体饱和时的渗透系数，取0.018 m·h-1；hs为基质吸力；aw，bw，cw为材料参数，分别取1 000，0.01，1.7.

采用Fredlund&Xing模型描述的土水特征曲线(式2)定义土体的含水量与基质吸力的关系，对某一现场土样在不同含水率下的基质吸力进行参数拟合，结果如表2所示，拟合的土水特征曲线如图1所示.

(2)

式中：θω为体积含水量，%；θs为饱和含水量，%；hs为基质吸力，kPa；hr为与剩余含水量对应的基质吸力，kPa；a,b,c为模型回归参数.

表2　土水特征曲线拟合参数

图1　土水特征曲线

为了更好地模拟路基土回弹行为的应力依赖性，考虑侧限力和剪切力的影响，可采用NCHRP1-28A三参数模型[8]表征路基土的动态回弹模量.对于不同湿度状况的模量变化，美国各州公路及交通官员协会2002版规范(AASHTO2002)提出了湿度调整因子，即用美国联邦公路局(FHWA)集成气候模型(EICM)来预估路基湿度的季节性变化，然后相对于施工时的湿度状况调整.但是此方法是假设湿度和应力状况相互独立，与实际路基工作状态不符.兰伟等[9]提出在三参数模型的基础上引入有效应力系数χw和基质吸力φm，建立路基土动态回弹模量与含水量的关系，基质吸力的引入也体现了非饱和土性状对关键应力状态的影响.修正后的模型如下：

(3)

式中：MR为路基土动态回弹模量, MPa；pa为大气压力，101 kPa；θ为体应力，MPa；τoct为八面体剪切应力，MPa；χw为有效应力系数，与(φe/φm)具有高度的相关性，由式(4)得到；k1，k2，k3为模型参数，由式(5)得到.

(4)

式中：φe为进气值；φm为基质吸力.

(5)

式中：γd/γdmax为压实度，其中γd为干密度，γdmax为最大干密度；Ip为路基土的塑性指数；w为含水率，%；P0.075为土粒料中小于0.075 mm的质量分数.具体取值通过室内试验得到，如表3所示.

表3　路基土基本参数

1.2车辆荷载形式

车轮与路面的接触等效为矩形，长边0.25 m，短边0.21 m.三轴双轮的轴载采用超载30%(130 kN)，当运行速度为80 km·h-1，路面等级为E时，动荷系数取为0.71[10].由于标准轴载下静载轮压为0.7 MPa，故假设受力面积不变时施加的动态轮压为1.556 1 MPa.为了模拟移动重载在路面结构上运动时产生的动力效应，采用ABAQUS中的DLOAD用户子程序进行二次开发反映荷载位置随时间的变化，三轴双轮荷载的模拟见图2.车辆荷载作用区域分别位于慢车道、快车道和中间车道，可分析不同荷载位置对动力响应的影响.

图2　三轴双轮移动荷载

1.3路基湿度影响因素设置

路基湿度的影响因素主要考虑地下水位和降水入渗.

地下水位考虑5种工况，距路基顶面的距离h分别为2，3，4，5，6 m.地下水位线上的孔隙水压力为0，以上为负值，以下则为正值.通过瞬态分析，不同地下水位情况下路基最终达到稳定的湿度状态.

根据潮湿多雨地区的降雨特点，取10，20，40以及80 mm·d-1这4种降雨强度作为代表值，分别表示小雨、中雨、大雨及暴雨.此外，路面表面层的导水率全部按不透水层设置.为了比较降雨从边坡和中央分隔带入渗对路基结构的湿度和模量影响，结合典型的降雨模式，设计了表4所列的7种工况.在分析降雨影响时，选取上、下两层，竖直间距为1 m，在水平方向，上、下层各取3个点，水平间距为6 m.点位编号为X-Y，X为1，2，分别代表上层和下层；Y为1，2，3，分别代表边坡、路基中部和中央分隔带区域.如图3所示，共取分析点位6个，覆盖了边坡、中央分隔带和路基中部3个区域.

表4　计算工况选取

图3　湿度分析点位选取

2计算结果及分析

2.1路基模量

地下水位距离路基顶面越近，毛细水引起的渗流对路基湿度影响越大，对路基模量的分布影响也越显著.图4给出了不同地下水位高度时的路基模量分布.可知，当h=6 m时，模量在深度方向基本不变，为66 MPa；当2 m

不同的降雨工况下路基受雨水的渗流影响不同，主要体现在降雨强度和降雨历时.图5给出了在降雨时间均为1 d时，动载作用于不同车道时的路基模量随降雨强度变化情况.图6给出了在总降雨量均为80 mm时，动载作用于不同车道时的路基模量随降雨历时的变化情况.

从水平方向看，靠近路基边坡区域(1-1，2-1)和中央分隔带区域(1-3，2-3)的模量要明显低于路基中部区域(1-2，2-2)，且边坡区域模量更小于中央分隔带区域；从竖直方向看，在同一截面,路基上部模量高于下部，如图5a中的1-1,2-1曲线为动载作用于慢车道上时，慢车道下方路基模量与降雨强度的关系，两条曲线的在相同降雨强度时的竖向间距均大于其他曲线的竖向间距，说明了动载作用区域，上层路基与下层路基的模量差值更大，而其他区域差值小；图5b，5c也可得到类似结论，这是由于动载作用车道比其他车道的路基应力级位高，应力场和渗流场的相互耦合作用对模量的折减更为明显.

在相同降雨时间内，随着降雨强度的增大，路基模量衰减明显.降雨强度为10 mm·d-1时，路基模量衰减5～6 MPa，边坡下部区域减小最多；降雨强度大于10 mm·d-1后，边坡和中央分隔带区域模量减小幅度增大；强度为80 mm·d-1时，降至45～55 MPa，而路基中部的模量衰减不明显，稳定在55～60 MPa之间.

图4　不同地下水位的路基模量分布

a 慢车道

b 中间车道

c 超车道

a 慢车道

b 中间车道

c 超车道

在相同降雨量下，降雨历时越短，降雨渗水更易的边坡和中央分隔带区域模量越小，且衰减较快，而路基中部有罩面隔水，水分需从两侧水平渗入，故模量较大，衰减较慢.8 d降雨后路基各区域模量接近，稳定于50～60 MPa.

2.2面层层底拉应变

面层层底拉应变是评价沥青面层疲劳性能的重要指标，也是判断湿度对路面动力响应影响大小的依据.地下水升高、降雨由边坡和中央分隔带入渗虽不会直接影响沥青面层的湿度和变形，但会通过路基模量和性能的变化间接导致路面受力和变形.图7绘出了不同地下水高度时的面层拉应变横向分布.由图7可知，地下水位距路基顶面高度由6 m减至2 m时，面层层底最大拉应变由70×10-6增至173×10-6，变化范围接近100×10-6，说明控制地下水位的上升对于路面结构层的应变有较明显的作用；同时，当地下水位距离路基顶面2 m时，面层底面拉应变明显高于其他高度工况，可结合图4解释原因.图4中显示，当地下水位距离路基顶面大于2 m时，水位线位于路基底面以下，毛细水需透过地层进入路基，故毛细水在路基中的渗透作用低，随水位上升，路基模量变化较小，面层底面拉应变增长慢；而当地下水位进一步提升至2 m时，水位线已位于路基底面，毛细水直接侵入路基，上升浸润作用最为强烈，路基模量衰减剧烈，故面层底面拉应变明显高于别的工况.

图7　不同地下水位高度时的面层层底拉应变横向分布

图8给出了相同降雨时间(1 d)，不同降雨强度时面层层底拉应变分布.图9为相同降雨量(80 mm)，不同降雨历时下的面层层底拉应变横向分布情况.可以发现：

(1)当降雨时间均为1 d时，动载作用于两侧车道时的面层拉应变大于动载作用于中间车道的情况.当动载位于两侧车道时，最大拉应变高于160×10-6，当动载位于中间车道时，最大拉应变仅为80×10-6～90×10-6，接近2倍的差值，这是由于1 d短期降雨引起路基湿度分布不均匀，两侧大而中间小，因此降低了两侧车道路基模量，进而增大了面层层底拉应变.

(2)相同降雨时间，不同降雨强度下的面层底面拉应变有很大区别.降雨强度在80，40，20，10 mm·d-1不同级位时，两侧车道下方的面层底面平均拉应变依次为165×10-6，112×10-6，84×10-6和70×10-6；而中间车道下方的面层底面平均拉应变变化幅度仅在70×10-6～86×10-6之间，对比说明降雨强度增大对两侧车道处的面层拉应变影响巨大，而对中间车道的影响可基本忽略.

(3)如图9所示，相同降雨量时，超车道和慢车道的面层底面拉应变随着降雨天数增加而减小，而中间车道的趋势正好相反，拉应变随着降雨天数增加而增大.这是由于80 mm降雨量1 d完成，雨水多积聚在边坡和中央分隔带区域，无法入渗至路基中部，导致整个路基湿度不均匀，所以在车辆荷载作用下道路两侧的面层拉应变更大；而当80 mm降雨量在多天完成，平摊到路基两侧的水分减少，故面层拉应变会减小，而路基中部湿度升高，模量减小，面层拉应变反而增大.

a 慢车道

b 中间车道

c 超车道

a 慢车道

b 中间车道

c 超车道

3结论

(1)不同地下水位高度和不同降雨工况条件下，路基模量分布不同.地下水位越高，路基模量越低，且路基下层模量减小更明显；降雨入渗和动载共同作用区域的下方路基，模量折减显著，这是应力场和渗流场相互耦合作用的结果.

(2)地下水位会导致路面动力响应发生变化.地下水位越高，车辆荷载作用下的面层拉应变越大.控制地下水位的上升对于减小路面结构层的应变有较明显的作用.

(3)相同降雨时间时，降雨强度增大对两侧车道处的面层层底拉应变影响巨大，而对中间车道的影响较小.相同降雨量时，降雨天数增加，两侧车道的面层层底拉应变反而减小，而中间车道的趋势相反，拉应变随着降雨天数增加而增大.

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Dynamic Response of Heavy-Duty Asphalt Pavement Affected by Moisture

TAO Zefeng, QIAN Jingsong, LING Jianming, CAI Yang

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：Taking into consideration the impact of underground water and infiltration, a dynamic analysis model of asphalt pavement under heavy load traffic was established by using ABAQUS. The distribution characteristics of subgrade resilient modulus caused by moisture change resulting from underground water rising and rainfall infiltration was investigated, and the dynamic response of asphalt pavement under heavy load of three-axis with two wheels was analyzed. It is shown that the subgrade resilient modulus is seriously affected when underground water rises, and the reduction is more significant where the subgrade is affected by rainfall and traffic load. The tensile stain at the bottom of surface course increases from 70×10-6to 173×10-6when the distance from underground water to the subgrade top decreases from 6 m to 2 m. Rainfall intensity has a huge effect on the tensile stain at the bottom of the surface course of outside lanes and a smaller effect on that of inside lanes. As rainfall days grow, the tensile stain at the bottom of the surface course of outside lanes declines while that of inside lanes increases which behaves in an opposite way.

Key words：highway engineering; dynamic response; subgrade moisture; heavy load traffic

收稿日期：2015-03-02

基金项目：国家自然科学基金(51368058);交通运输部应用基础研究项目(2013319223010，2015318822170)

通讯作者：钱劲松(1980—),男,副教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为道路工程.E-mail: qianjs@tongji.edu.cn

中图分类号：U416.1

文献标志码：A

第一作者： 陶泽峰(1991—),男,博士生,主要研究方向为路基工程.E-mail:tzf199101@126.com