层间接触对沥青混凝土路面的力学响应分析

金家明

摘要：传统的半刚性基层沥青混凝土路面设计规范以层状弹性体系为基础，设计时假定道路各结构层之间的接触面完全连续。然而，实际沥青混凝土路面时多层体系结构，这与我国半刚性基层沥青混凝土路面设计规范中的相应规定不符，因此层间接触状态对沥青混凝土路面的性能有较大的影响，如果层间接触不好很容易引发路面开裂、层间推移等破坏。据此，利用有限元软件ANSYS，模拟实际道路模型，分析在匀速情况下，不同的层间接触条件对沥青混凝土路面的力学响应。计算结果表明，层间解除状态对最大剪应力最大值出现的位置有较大的影响，宏观上讲，层间接触状态对车辙病害有较大的影响，良好的层间接触状态可以大大降低路面车辙病害的出现。

关键词：半刚性基层；沥青路面；有限元

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.17.117

0引言

沥青混凝土路面层间接触状态的好坏对道路的使用性能和服务寿命有较大的影响。我国现行的半刚性基层沥青路面设计规范以层状弹性体系为基础，层状弹性体系理论假设沥青混凝土路面各结构层之间的层间接触状态为完全连续，因此，设计时假定道路各结构层之间的接触面完全连续。然而，由于施工、设计等方面技术不成熟以及实际操作人员的不重视，沥青路面各结构层间材料特性差异或者面层的分层铺筑导致层间接触往往难以达到完全连续。

国内外学者对沥青混凝土路面的层间接触条件进行了大量的研究。武建民，苏凯，宋田兴等通过对沥青混凝土路面层间推移破坏进行研究分析，得出了层间接触状态对沥青混凝土路面的力学响应；薛亮，张维刚，梁鸿颉等分别计算分析了不同层间接触状态下的沥青路面力学响应，阐述了不良的层间接触状态对沥青混凝土路面的负面影响；冯德成，宋宇等则通过层间接触状态对设计指标的影响这一角度来分析层间接触状态对沥青混凝土路面的影响。

本文针对目前广泛应用的半刚性基层沥青面层结构，采用有限元方法，分析不同层间接触状态下路面各结构层之间的剪应力分布，以期能够得出层间接触状态对多层沥青混凝土路面结构力学响应的影响。

1路面结构模型的建立

1.1路面结构和材料

路面结构形式及材料参数如表1所示。

1.2荷载的确定

本文采用公路沥青路面设计规范中规定标准轴载荷以BZZ-100表示，单轴双轮组荷载为100kN，轮胎压力为0.7MPa。

1.3路面结构模型的建立

路面结构模型采用线弹性计算模型8节点solid45单元进行沥青面层内最大剪应力分析。长宽分别为5m、10m，土基深度为6m。三维有限元模型的边界条件假定为：（1）在左右两侧没有X方向位移；（2）在底部没有Z方向位移；（3）在前后两侧没有Y方向位移。为了将ANSYS的计算时间减至最小，同时提高计算的准确性，在轮胎-路面接触区域，网格划分较细，而在轮胎接地印痕以外的区域，网格划分较粗。分别在x=005325处、x=015975处和x=0213处分析最大拉应变随深度变化的规律。由计算结果可以看出，二者计算结果十分近似，因此，可以认为本文选取的沥青路面结构的三维有限元模型是合理的。

2层间接触状态的确定

我国现有的沥青路面结构计算中，将沥青路面结构看成一个整体，这与实际情况不符，在分层铺筑、分层压实的路面施工过程中，各結构层之间并不是完全连续的，是处于完全滑动与完全连续之间的状态。根据上述路面结构，本文一共考虑四个结构层之间的层间接触状态，即上面层与中面层之间的层间接触状态，中面层与下面层之间的层间接触状态，下面层与基层之间测层间接触状态。在有限元计算时，采用层间结合系数f来表征路面层间不同的接触状态，取f分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8。当f为0时代表层间完全滑动，当f为1时代表层间完全连续。

3路面的力学响应分析

3.1本文不考虑加速度的影响

假设车辆匀速行驶，本文以高速公路车辙病害为突破点，因此，采用面层最大剪应力和路标竖向并行为比较参数，综合评价路面结构整体性能。

3.2层间接触对路面力学响应的影响

本文采用正交设计的方法，分别计算分析上面层与中面层f1、中面层与下面层f2以及下面层与基层f3之间的接触状态，对这四个层位的接触状态进行正交方案设计，考虑到四个层位的接触状态的交互作用，

由表2的计算结果可知，一般情况下，最大剪应力最大值出现的位置一般位于上面层的底部，而当f1为0.8时，f2为0.4时，最大剪应力最大值的位置由上面层底部转移到中面层底部，即最大剪应力最大值的位置发生了改变。这说明，上面层与中面层之间的层间接触良好而中面层与下面层之间的层间接触不良时，中面层底部的最大剪应力受到明显影响，会显著增大，当增大到一定程度，超过上面层底部的最大剪应力时，路面潜在的破坏位置也从上面层底部转移到中面层底部。而最大剪应力往往是表征车辙病害的参数，也就是说，层间接触状态对车辙的影响较大。

4结论

本文利用有限元软件ANSYS，模拟实际道路模型，分析在匀速情况下，不同的层间接触条件对沥青混凝土路面的力学响应。计算结果表明，层间解除状态对最大剪应力最大值出现的位置有较大的影响，宏观上讲，层间接触状态对车辙病害有较大的影响，良好的层间接触状态可以大大降低路面车辙病害的出现。

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