季冻区无机结合料稳定基层沥青路面典型病害机理分析

2019-02-27吴欲晓

北方交通 2019年2期

吴欲晓

(1.沈阳建筑大学交通工程学院沈阳市 110168； 2.辽宁奥路通科技有限公司沈阳市 110166)

无机结合料稳定基层是季冻区路面结构设计普遍采用的结构形式，其较高的结构强度能够提高沥青路面的整体强度，但经过大量的工程实践检验后发现，该种路面结构存在着诸多弊端，随着使用年限的增长路面出现了较为典型的裂缝和车辙病害，上述病害的出现对路面行车安全、整体性能及使用寿命均产生严重的影响。因此，针对季冻区无机结合料稳定基层路面的典型病害，采用Abaqus有限元数值模拟分析平台从力学响应角度分析病害产生的机理。

1 有限元模型的建立

1.1 路面结构模型参数的确定

以京哈(北京至哈尔滨)线实体工程作为研究对象，通过建养资料调查与现场钻芯取样得到路面结构的组成形式，并通过以往室内试验结果及相关研究得到各个结构层材料的力学及热物性参数，以此作为路面结构病害机理分析的基准依据，具体相关参数见表1、表2所示。

1.2 路面有限元模型的建立

根据《公路沥青路面设计规范》JTG D40-2017的规定，沥青路面结构设计采用100kN单轴—双轮组标准荷载，轮胎接地面积采用边长为0.213m的正方形，将标准荷载换算为接地压强，即每个轮胎的接地压强为0.7MPa。考虑到不同车道受到结构层垂直于行车方向的约束基本一致，故在模型建立时仅选取一个车道宽度作为分析对象，具体临界荷位示意图见图1所示。

表1 路面各结构层组成及材料力学参数

表2 路面各结构层材料热物性参数

图1 临界荷位示意图

按照路面结构组成建立三维有限元数值分析模型，并通过材料参数的定义等完成路面结构模型的实体化。在边界条件约束时仅将结构侧面沿x轴方向采用部分约束，此时模拟侧向边坡与相邻车道对路面结构的侧向作用力，同时将土基底面采用完全约束状态，以模拟土基沿深度方向的无限整体性。建立有限元分析模型，其尺寸为3.75m×3.75m×2m，其中x方向代表行车方向，y方向代表路面横断面方向，z方向代表路面深度方向，路面结构有限元模型见图2所示。

图2 路面结构有限元模型示意图

1.3 温度场边界条件

路面结构温度场来源于大气热交换形成的太阳辐射、空气长波辐射及对流热交换，其理论表达式为：

(1)太阳辐射

太阳与路表之间通过各种辐射传递热量，采用分段函数近似表示出太阳辐射q(t)的日变化过程。

(1)

式中：q0—中午最大辐射，q0=0.131mQ，m=12/c；

Q—日太阳辐射总量，J/m2；

c —实际有效日照时数，h；

ω—角频率，ω=2π/24，rad。

(2)空气长波辐射

空气长波辐射呈现出周期性的变化特征，但从最低气温上升至最高气温不足10h，而从最高气温降至最低气温则需要14h以上，因此采用两个正弦函数的线性组合来模拟气温的日变化过程。

(2)

ω—角频率，ω=2π/24，rad；

t0—初相位，最大太阳辐射与最高气温的出现时间差加7，一般情况下，设时间差为2h，为此，可以取t0=9；计算时，t以小时计。

(3)对流热交换

路面表面与大气产生热交换的对流热交换系数hc主要受风速νw的影响，两者之间呈线性关系。

hc=3.7νw+9.4

(3)

式中：hc—对流热交换系数，W/(m2·℃)；

νw—日平均风速，m/s。

2 无机结合料稳定基层路面结构低温开裂分析

当路面结构所处的大气温度下降时，面层和基层均会产生不同程度的收缩变形，但该种收缩变形会受到相邻结构层的摩阻力和路面无限连续板体的约束作用，使得路面结构内部产生拉应力。因此，建立季冻区冬季低温环境下路面结构的温度场，将该预定义场作为环境基础进行路面结构在低温应力下的开裂分析。

2.1 低温环境下路面温度应力分析

(1)低温环境下日温度场分布情况

建立路面结构随环境变化的热分析模型，通过定义冬季低温环境下一天24h内的温度得到在不同时间点路面各结构层的温度分布状况，见图3所示。

图3 冬季严寒气候下路面结构温度场分布状况

由图3可知，当固定路面深度方向时，不同结构层温度随时间均呈现先上升后下降的变化趋势，且日温度最高值出现在下午14时；当固定时间方向时，由于热量传递和散失，随深度的增加温度梯度逐渐减弱，当深度达到0.6m时热传递效果基本丧失，仅维持在设定的原始温度。

(2)日循环作用下温度应力分析

随着路面结构温度场的变化，各结构层由于其材料属性的差异，会随着时间的推移形成温度应力的累积，通过对比路面结构内温度应力的动态变化状况，并截取温度应力在不同结构层关键时间点的应力云图。

通过分析可知，在热传递效应作用初期，此时温度梯度影响范围较浅，因此温度应力集中在上面层，应力值仅为0.04MPa，但随着时间的推移，热传导影响下路面结构内部的温度应力逐渐增大，结构层内最大主应力向下转移，此时基层顶面出现拉应力，并在15时左右的拉应力最大，但最大拉应力转移至基层底面，而基层在低温应力作用下出现收缩应变，层间作用对面层结构产生约束，因此在24时面层顶部出现了部分温度应力。由于路面结构最大温度应力最先出现在底基层底部，因此在进行路面结构开裂分析时，主要关注底基层底部的应力状况。

2.2 路面结构开裂机理分析

由于路面结构内的温度应力是长期累积作用形成的，因此笔者采用分段模拟累积的方式，多次设定场荷载变量，实现将前一次的温度应力结果循环加载至路面结构上，进而完成长期低温环境下路面结构内累积温度应力的分析。结合路面结构最大温度应力的出现位置，针对底基层底部进行温度应力时空曲面的绘制。

图4 低温条件下34d时水泥稳定碎石底基层底部温度应力分布情况

由图4可知，路面底基层底部的温度应力随着时间的增加呈现逐渐增大的趋势，表明无机结合料稳定材料在应力作用下伸缩变形能力差导致应力的不断累加，最终超过其极限抗拉强度出现破坏。在经过34d的低温循环后其底部出现的拉应力达到1.53MPa，此时超过了水泥稳定碎石能承受的极限抗拉强度1.5MPa，因此此时底基层结构沿下部发生开裂。随后当裂缝扩展至面层底部时会进一步破坏面层结构的完整性，导致面层形成常见的反射裂缝。

3 无机结合料稳定基层路面结构永久变形分析

由于沥青混合料在高温环境下呈现出黏弹塑性的特点，因此高温环境下路面结构内部的温度应力集中状况得到了极大改善，此时材料的过度松弛导致其抵御外部荷载作用的能力下降，因此在车辆荷载的重复作用下面层结构出现了明显的应变累积，并在长期作用下在路表形成车辙病害，笔者针对车辙形成过程与病害类型进行分析。

3.1 高温环境下路面永久变形作用理论

(1)高温环境下日温度场分布情况

以冬季建立温度热分析模型为基础，调整大气温度参数进行夏季高温气候下路面温度场分布状况模拟，见图5所示。

图5 夏季炎热气候下路面结构温度场分布状况

由图5可知，夏季炎热气候下温度场变化趋势并未发生太大的变化，均与大气温度随时间的变化趋势基本一致，呈现先增大后减小的变化趋势，且最高温主要出现在沥青面层表面。随后，与图3中冬季严寒气候下的温度场相比，整体变化幅度有所增大，进一步表明沥青混凝土的高温感温性能较低温时更加敏感。

(2)循环荷载作用理论

在沥青路面结构中分析其抵抗永久变形的能力是评价路面结构设计合理性的重要指标，这是由于沥青混凝土属于粘弹塑性材料，在自然气候与车辆荷载的长期循环作用下，会形成一个永久的不可逆的塑性变形。笔者仅采用夏季高温时期设计年限内行车荷载作用次数，并按照每天24小时非均匀分布的特点换算成累计作用时间，以达到将荷载分布与温度变化相结合的目的。

(4)

式中：t—轮载累计作用时间，s；

N—轴载作用次数，次；

P—车辆轴重，kN；

nw—轴的轮数，个；

p—轮胎接地压力，MPa；

B—轮胎接地宽度，cm；

v—行车速度，km/h。

根据式(4)计算得知轴载一次作用时间为0.007545s，笔者结合京哈线夏季高温时期设计年限内轴载作用次数换算成标准轴载为1.25×106万次，等效为9431.2s的车辆荷载累计作用时间。按照1天24小时内不同时段的交通量分布情况，近似获得每小时荷载的分段累计作用时间，如表3所示。

表3 24h内不同时段轴载累计作用次数

3.2 路面结构永久变形分析

笔者根据瞬态分析的原则将行车荷载累计作用时间按照不同时段进行分解和施加，完成路面结构在车辆荷载和自然气候双重因素耦合作用下累计变形状况分析，施加荷载后路面结构永久变形状况见图6所示。

由图6可知，高温气候下沥青路面在车辆荷载的作用下产生瞬时应变，由于沥青混凝土具有蠕变特性，长期荷载作用下部分应变无法完全恢复，因此沿渠化交通轮迹带处形成明显的车辙病害。如图6(a)所示，永久变形在路表影响范围不只出现在车辆荷载作用区域内，在车辆荷载作用周边也出现了一定的微应变，表明路面结构在车辆荷载作用下横断面上均出现了明显的变形。对比路面结构永久变形局部区域情况，如图6(b)所示，永久变形影响深度主要集中在面层和基层结构内，且微应变影响深度可达到45cm，表明车辙病害发生在面层和基层全深范围内，此时路面结构整体性受到严重破坏。

图6 路面结构温度场及其永久变形状况

图7 车轮荷载下永久变形空间分布情况

根据路面结构在设计年限内车辆荷载作用下局部区域永久变形示意图，绘制车轮荷载下永久变形空间分布曲面图。由图7可以看出，路面最大凹陷处出现在车轮荷载正下方，凹陷深度为1.80cm，该种深度的车辙病害对高速行驶的车辆而言存在严重的安全隐患。同时，对比车轮荷载作用周边可知，沿路面宽度方向永久变形可影响到0.375m的横向范围，此时路面永久变形深度为0.67cm，进一步证明该种路面结构线永久变形的横向影响范围较宽，横断面呈现出明显的U型，可以判定该路段出现的是典型的结构型车辙。