冲击荷载作用下砼路面的损伤演化

丁加俊

（永升建设集团有限公司，新疆克拉玛依 834000）

冲击荷载作用下砼路面的损伤演化

丁加俊

（永升建设集团有限公司，新疆克拉玛依 834000）

简述了砼损伤力学的研究现状和试验方法；通过建立有限元模型，重点对复合铺装结构应力进行研究，分析了在汽车冲击荷载作用下不同初始损伤情况下路面的损伤演化，给出了砼路面裂缝问题的解决方案，为公路工程理论研究提供借鉴。

公路；沥青砼路面；应力分析；损伤演化；冲击载荷

得益于沥青砼优秀的路用性能，沥青砼路面在全世界都得到了较为广泛的应用。沥青砼的路用性能由原材料的生产工艺、使用状况及材料品质决定。公路沥青砼的结构设计主要根据砼的力学性能。随着交通运输的发展，公路研发试验技术的成熟，对砼抗压性能、弯曲性能及应力分析等力学性能的分析更加深入。相关试验结果显示，砼路面在实际承受交通载荷时，砼内部会出现不同程度的损伤，进而产生裂纹。在裂纹顶端开始形成细小的缝隙，伴随着进一步的载荷作用，裂缝进一步扩大延伸，将贯穿整个砼路面而形成断裂。

1 砼损伤力学研究现状和试验方法

对砼力学性能的研究表明，砼抗拉强度十分低，这源于砼产生损伤后内部含有断层和裂纹。砼本身具有脆性材料的一些特性，但砼还具有脆性材料没有的稳定的裂纹扩展阶段，所以只能将砼称为介于脆性材料与塑性材料之间的准脆性材料。从砼裂纹的产生与延伸至最终断裂，力学性能的研究是砼损伤问题的核心。整体的沥青砼在承受实际载荷时变形微乎其微，但裂纹的产生具有突发性，并直接形成脆性区，因此常见的砼破坏都是断裂性破坏。砼的力学计算十分复杂，对内部损伤和破坏的分析更加复杂，这些都源于砼材料的不均匀性，对损伤和破坏过程的研究始终是公路工程的难题。

在砼断裂裂纹形成前，路面的基本性能已受到影响，同时使用寿命也会降低。但断裂力学宏观研究方法无法用于微小裂纹的形成及延伸情况分析。鉴于微小裂纹会对砼材料力学性能产生严重影响，砼损伤力学成为研究损伤现象的重要力学分支。从研究现状来看，现有试验技术并不能达到理论设计的要求，这是试验研究中遇到的最基本问题。对于砼内部损伤位移量的检测目前还没有较为成熟的方法，测试过程也比较困难，在较为复杂的受力情况下，检测数据的准确性不够高。试验过程只是向着试验的结果数据靠近，许多分析模型只是根据现有经验来实施。

2 冲击荷载下路面损伤演化

2.1建立有限元模型

采用ANSYS分析砼结构的力学性能，研究对象取整块砼路面。砼路面第一层长度设计为7.35 m，宽度为5.5 m，高度为0.35 m；第二层长宽尺寸同第一层，厚度为0.22 m，材料为水泥和砂砾含量8%；第三层设计长度为15 m，宽度为7 m，厚度为0.29 m，材料为石灰和土层；最后一层为土层，该层设计尺寸较大，能满足实际冲击载荷的作用，设计长度为25 m，宽度为25 m，厚度为9 m。所有尺寸数据均根据实际载荷作用数据设计相应的冗余量。假定没有被破坏的断层，并采用特殊材料连接各层。该试验条件下的有限元模型见图1。

图1　有限元模型三维视图

对该模型自动划分网格，形成微小的六面体小单元，计算时采用六面体小单元进行缩减积分计算（见图2）。

图2　栓钉与钢板应力分布云图

由图2可以看出：在实际冲击载荷作用下，砼破坏是非线性的，对损伤研究影响最大的是各种实际加载方式。为了模拟真实的载荷作用，采用冲击载荷并选择多个函数模型进行模拟计算，得到多参数幅值-时间曲线（见图3）。

图3　多参数幅值-时间曲线

2.2设置材料属性

根据测试的实际曲线可计算出砼的弹性模量为35.2 GPa，泊松比为0.158。砼材料的实际损伤塑性参数见表1，拉伸损伤数据见表2。表1中对砼应力、非弹性应变和损伤数据进行了对比，表2中对砼应力、开裂应力和损伤数据作了对比。

表1　砼压缩损伤塑性参数

表2　砼材料拉伸损伤塑性数据

2.3不同初始损伤情况下路面损伤演化

砼路面在实际行车环境中主要承受车辆动载荷、环境温度变化及雨雪天气的影响。在这些外界因素作用下，路面形成不同的损伤裂纹，所有因素集中作用在路面上才会使路面形成损伤，这是一个复杂作用的结果。考虑到对道路影响最大的实际是车辆载荷，在此排除影响较小的因素，只对车辆冲击载荷作用进行研究。一般路面设计承载能力远大于车载载荷，但考虑到长期作用下路面会产生疲劳，对车辆实际加载下路面的载荷分布进行研究。简化研究模型后，根据主要影响因素进行试验。但这里不对损伤进行实际的数据计算，只是通过分析软件进行初始损伤分布研究。

为简化模型，假定车辆都是直线行驶，且作用面为固定的两条作用带。该模型参考实际运输货车的车型尺寸设计，货车标准尺寸为轮距1.9 m、车轮宽度0.3 m。所有车辆均按图4所示轨迹行驶，设计汽车行驶速度为15km/h。

图4　实车载荷的行进路径标准

在最初始的情况下路面还没有受到损伤，这种情况下进行加载试验在路面的各层都很难形成裂纹或损伤。但由于会形成局部的拉应力，会使路面层形成垂直方向的道路裂纹，随着载荷的增大裂纹会迅速增大、延伸，最后导致路面破坏。

当初始情况为较小损失时，车辙正下方存在两条较大应力带，最大应力可达10.8 MPa，4个角点处的应力值较小。由于车载情况沿道路规则分布，该问题可简化为平面应变问题，两排车轮间的区域受到的弯矩较大，该区域出现沿r方向的较大应力，路面层底层出现损伤直至裂缝，但损伤程度不会延伸到路表面，不存在可见裂缝。最大路面沉降出现在路中心，可达3.6 cm。

当初始情况为较大损伤时，车轮两侧将存在很大的压应力和剪应力，产生明显的应力集中现象，面板中央处的挠度最大。此时，冲击后的损伤十分严重，将形成网状裂缝分布，y方向局部裂缝扩张，土体发生破坏，体积膨胀，但并未出现明显沉降。

3 结语

路面的损伤演变最重要的因素是初始损伤的形成，没有初始损伤时在路面各层都不会产生垂直方向的裂纹，有时可能会产生垂直裂纹但发展十分缓慢，对整体道路不会造成很大影响。当该方向的裂纹达到断裂式程度时才会产生横向裂纹，使路面迅速破坏。现有公路技术研究分为三方面，一是对整个路面铺设力学性能进行计算分析，形成相应的合格指标参数；二是对道路整体结构进行应力分析，采用有限元分析法，探究道路最大应力点及其分布；三是对实际载荷作用下路体结构进行有限元分析，主要对沥青层和砼交界层等进行应力分布研究。路面冲击载荷研究结果表明初始损伤会影响路体损伤分布和发展，当路面承受较大的冲击载荷时，路面会形成网状裂纹分布，但这种应变速度较快，影响了新生裂纹的产生。

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