考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面力学特性

张丙强

(福建工程学院土木工程学院，福建省土木工程新技术与信息化重点实验室, 福建 福州 350118)

考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面力学特性

张丙强

(福建工程学院土木工程学院，福建省土木工程新技术与信息化重点实验室, 福建 福州 350118)

提出沥青路面层间界面剪切损伤本构关系方程、引入Goodman接触单元，模拟路面各分层之间的应力接触传递；基于ANSYS软件建立起考虑层间界面剪切损伤的沥青路面数值分析模型，对重载车辆制动荷载作用下典型复合式沥青路面结构的力学特性进行分析.研究表明, 车辆轴重和层间粘结强度对层间界面损伤度、路面内水平剪应力及最大值位置、路面总沉降均有不同程度的影响；车辆超载1倍并制动时，层间界面损伤度最大值增加约50%，路面水平剪应力和沉降最大值翻1倍多；层间粘结强度减弱50%时，标准轴重车辆制动荷载下层间界面剪切损伤度翻1.5倍多，路面内水平剪应力、沉降最大值增加20%～30%.

沥青路面；层间界面；损伤模型；力学特性

沥青路面是一种典型的层状体系结构，其力学性能不仅与每个结构层的材料性能有关，而且与路面层间的粘结性能以及路面组合结构有关.文献[1-8]采用层间粘结状态参数或者线性弹性层间单元模拟层间应力接触，采用解析方法或有限元数值方法对层间接触状态对沥青路面结构力学性能的影响进行研究.而相关研究表明，复合式沥青路面柔性面层与刚性面层间界面是路面结构的薄弱环节，在重载车辆制动荷载作用下会由于抗剪强度不足而损坏[9]，并导致路面结构处于不利的受力状态甚至受到严重破坏.而目前对考虑层间界面损伤影响下复合式沥青路面的力学特性的相关研究较少.本文将引入土与结构的接触界面损伤本构关系方程和Goodman单元模拟层间界面应力传递，建立考虑层间界面损伤的复合式沥青路面力学分析模型，对重载车辆制动荷载作用下复合式沥青路面结构的受力特性进行分析.

1 层间界面剪切损伤模型

1.1 层间界面剪切变形特性

图1 层间界面剪切-位移曲线图 Fig.1 Curve of shear stress and displacement for interface

文献[10]对沥青路面层间界面进行了剪切破坏试验，如图1所示.剪切变形分为三个阶段：①OA段，线弹性变形阶段，剪应力随剪切位移呈线性增长；②AB段，应变硬化阶段，剪应力与剪切位移呈非线性单调递增的关系；③BC段，应变软化阶段，当剪切位移继续增大，剪应力逐渐减小直到达到残余剪切强度.

1.2 层间界面剪切损伤模型

假设层间界面上的粘结材料连续分布，且界面上任意一个微元体可视为一个质点.根据Lemaitre应变等价性原理，层间界面剪切损伤本构关系如下：

式中：D为层间界面剪切损伤度；τ*为层间界面单元未损伤部分所受剪应力，剪应力与剪切位移成线弹性关系，即τ*=ksu*，u*为未损伤部分的剪切位移，ks为层间粘结强度指标；由变形协调关系可知未损伤部分剪切位移u*与界面单元总体剪切位移u一致，得到层间界面剪切损伤模型如下：

1.3 层间界面剪切损伤本构方程

假定层间界面的微元体破坏是随机的，并且服从Weibull分布[11]，当微元体强度F≤0时不会破坏，则层间界面微元体破坏的随机概率密度函数为：

式中：m与F0为Weibull分布参数；F为层间界面的剪切破坏准则，采用Mohr-Coulomb破坏准则：

式中：c与φ为层间界面的黏聚力与内摩擦角，其余符号意义同上.

层间界面损伤变量D假定为微元体破坏的统计概率，则其损伤演化模型可表示为：

将式(5)代入式(2)得到层间界面剪切损伤本构方程为：

图2 层间界面剪应力-应变试验曲线 Fig.2 Experiment curve of stress and strainfor interface

层间界面剪应力-应变试验曲线见图2.引用文献[12]中试验资料，当竖向压力σn=400、700、1 000 kPa时，平均最大抗剪力依次为τf=419、572、814 kPa，因此层间界面内摩擦角φ=33.3°，c=14.1 kPa，最大剪切位移取uf=2 mm，剪切刚度ks取试验曲线线性部分的斜率，即ks=4×106kN·m-1.将上述数据代入式(6)，可求得不同压力下的模型参数依次为m=0.779 6、0.927 9、0.999 3，F0=637.58、752.08、803.02 kPa.然后将相关参数代入式(6)，即得剪应力与剪切位移之间的关系曲线.

2 层间界面损伤的沥青路面计算理论及模型

2.1 计算模型

采用我国目前典型的复合式沥青路面结构形式，面层为沥青混合料和钢筋混凝土板组合的复合式路面，基层材料为水泥稳定碎石，底基层材料为二灰土[13].面层之间有粘结层以及面层与基层之间设有下封层，其余层间则不考虑粘结材料的作用.

2.2 有限元实现

表1 路面结构计算参数Tab.1 Calculation parameters of pavement structure

基于通用有限元程序ANSYS建立有限元分析模型，模型尺寸为5 m×5 m×5 m，道路各层厚度及材料参数详见表1.粘结材料本构关系采用上述层间界面剪切损伤模型，通过UserMAT用户子程序进行开发, 通过UserElem用户子程序开发Goodman接触单元，模拟柔性面层与刚性面层间界面的应力接触，而其余层间界面采用ANSYS软件中的面-面柔性接触，面层及基层均采用实体单元Solid 45进行离散.模型底部完全约束，路面表面为自由面，沿行车方向两侧固定，垂直行车方向两侧自由.车辆荷载为矩形荷载，长度(L)×宽度(b)=213 mm×166.7 mm，双轮中心距320 mm，车辆荷载轴质量Fd=200 kN(轮压1.53 MPa、标准轴质量的2倍、超载100%)，水平荷载取竖向荷载的0.5倍.

采用APDL语言编制程序对复合式沥青路面进行损伤力学-有限元全耦合分析，即在每一计算载荷步调用用户材料子程序(UserMAT)、对单元刚度矩阵进行重新计算，以反映连续损伤累积效应对单元刚度矩阵的影响，载荷步循环、连续损伤演化计算等.

2.3 有限元模型的验证

图3 不同层间接触条件下沥青路面层间水平剪应力 Fig.3 Shear stress of interlayer under different contact condition between asphalt layer and concrete pavement

为验证本文计算模型和方法，将本文考虑面层间界面损伤和不考虑层间界面损伤(带*符号，下同)时的柔性面层与刚性面层间的剪应力计算结果，与采用层间连续接触的层状体系的有限元分析结果、以及文献[12]的层间连续接触有限元解进行比较，如图3所示.

从图3中可以看出，不考虑层间界面损伤情况下，本文所分析的沿着车辆行驶方向的层间水平剪切应力与文献[12]的分析结果吻合较好.考虑层间界面损伤情况下，重载车辆制动荷载下复合式沥青路面层间界面会产生剪切损伤，最大剪应力值较不考虑层间界面损伤时有所减小，而层间界面损伤处附近点剪应力值却有所增大，这与文献[12]所分析的剪力向薄弱粘结的周围扩展、剪力的最大值也有较大增加的结论一致.

3 层间界面损伤的沥青路面力学分析

3.1 层间界面损伤场分析

车辆超载是层间界面破坏的一个主要影响因素，同时层间粘结强度在车辆重复荷载下亦会产生连续损伤现象.复合式沥青路面结构在重载车辆制动荷载作用后，沿着车辆行驶方向双轮中心线位置正下方层间界面损伤度分布规律，见图4.从图4中可看出，层间界面剪切损伤度最大位置出现在双轮中心线下前方附近，往两侧损伤度逐渐减小，且减小的幅度逐渐增大，到一定位置后损伤度减小的幅度减缓.随着车辆轴重从100 kN逐渐增加到200 kN，层间界面最大剪切损伤度从0.09增加到0.52，剪切损伤范围也略有扩大；当层间粘结强度从100%逐渐减小到50%时，标准轴重车辆制动荷载下层间界面最大剪切损伤度从0.09增大到0.24，剪切损伤范围也逐渐增大.上述分析表明层间界面剪切损伤度随着车辆轴重增大而逐渐增大，连续车辆荷载作用下层间界面剪切损伤度和剪切损伤范围增加趋势会越来越大.

图4 层间界面剪切损伤场分布图Fig.4 Distribution curve of damage for interlayer contact

3.2 沥青面层应力分析

复合式沥青路面结构在重载车辆制动荷载作用后，路面面层内水平剪应力最大值处剪应力沿着路面竖向的分布规律，见图5.从图5中可看出，考虑层间界面剪切损伤时，重载车辆制动荷载作用下路面水平剪应力分布规律与不考虑层间界面剪切损伤时基本相同，但剪应力最大位置更靠近车轮中心线和上路面顶层.当车辆轴重从100 kN逐渐增加到200 kN时，沥青面层内水平剪应力最大值从0.28 kN逐渐增大到0.59 kN，且增加的幅度越来越大；层间粘结强度从100%逐渐减小到40%时，标准轴重车辆制动荷载下路面内水平剪应力最大值从0.28 kN逐渐增大到0.35 kN.上述分析表明随着车辆轴重的增加和层间粘结强度的减弱，沥青路面内水平剪应力逐渐增大，连续车辆荷载作用下沥青路面内水平剪应力会呈非线性增大趋势.

图5 路面水平剪应力竖向分布图Fig.5 Distribution curve of shear stress for asphalt surface

3.3 沥青面层位移分析

复合式沥青路面结构在重载车辆制动荷载作用后，沿着垂直车辆行驶方向的双轮中心处面层顶部总位移分布规律，见图6.从图6中可看出，考虑层间界面剪切损伤时，车辆制动荷载作用下沥青路面总沉降位移分布规律与不考虑层间接触损伤时相同，但最大沉降值有所增大.随着车辆轴重荷载从100 kN增加到200 kN，路面最大沉降值从41 mm逐渐增大到92 mm，且增加的幅度越来越大；层间界面粘结强度从100%逐渐减小到40%时，标准轴重车辆制动荷载下路面最大沉降值从41 mm逐渐增大到49 mm，增加趋势越来越大.上述分析表明，随着车辆轴重的增加和层间粘结强度的减弱，沥青路面总沉降逐渐增大，连续车辆荷载作用下沥青路面沉降增加趋势越来越大.

图6 路面面层顶部位移横向分布图Fig.6 Distribution curve of displacement for asphalt surface

4 结语

建立复合式沥青路面层间界面剪切损伤本构关系方程，并提出考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面计算模型及其有限元实现方法.重载车辆制动荷载下，复合式沥青路面层间界面可能会产生剪切损伤；车辆轴重和层间粘结强度对层间界面损伤度、路面内水平剪应力及最大值位置、路面总沉降均有不同程度的影响.车辆超载1倍并制动时，层间界面损伤度最大值增大约50%，路面水平剪应力和沉降最大值翻1倍多；层间粘结强度减弱50%时，标准轴重车辆制动荷载下层间界面剪切损伤度翻1.5倍多，路面内水平剪应力、沉降最大值增加20%～30%.层间界面损伤与面层疲劳损伤和永久变形互相影响，对其互相影响机制研究是今后需要解决的问题.

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(责任编辑：蒋培玉)

Analysis of mechanical properties for composite asphalt pavement involving shear damage of interface

ZHANG Bingqiang

(College of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fujian Provincial Key Laboratory for Advanced Technology and Informatization of Civil Engineering，Fuzhou，Fujian 350118，China)

The shear damage constitutive equation for interfaces between the layers of asphalt pavement was presented, and the Goodman contact element was introduced to simulate the stress contact action of every interface.The mechanics analysis model of asphalt pavement considering shear damage of interfaces was set up and the mechanical properties of the composite asphalt pavement structure under the overload vehicles were deeply studied.The analysis results follow as below, vehicle axle load and the bond strength of interfaces also have greater influences on shear damage of interfaces, maximum and position of horizontal shear stress, and total displacement.When vehicles overloading 1 times and braking, the degree of shear damage for interface between the layers could be increased about 50%, the maximum of horizontal shear stress and surface subsidence could turn more than 1 times.If bond strength between the layers decreased 50%, the maximum of shear damage degree could turn more than 1.5 times, horizontal shear stress and surface subsidence could increased about 20%～30%.

asphalt pavement；interface；damage model；mechanical properties

2015-05-16

张丙强(1979-)，工学博士，副教授，主要从事道路与铁道工程研究，csuzhyg@126.com

国家自然科学基金资助项目(51478118)；福建省教育厅科研资助项目(JA14214)；福建工程学院科研启动基金(GY-Z13118)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0588

1000-2243(2016)04-0588-05

U411

A