沥青路面层间接触状态研究进展

冉武平，张 玉，李 爽

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐830047)

0 引 言

国民经济的快速发展对交通运输业尤其是公路工程的要求越来越高，因此对道路结构的性能也提出了更高的要求。路面结构的性能不仅取决于各结构层材料的强度和刚度，还受层间接触状态的显著影响。研究表明，层间接触状态的变化可能引起路面结构内部的应力重分布，黏结力不足可引起沥青面层的疲劳寿命衰减40%～80%之多。就道路结构而言，层间接触状态对相邻结构层的应力状态影响非常大，由于层间接触状态的演化，甚至可能会使结构层底的压应力变为拉应力，这将直接影响到结构的疲劳寿命。由此可见，路面结构层的层间黏结虽然仅是整体结构中的一个构造处置层，但却是影响整个结构的一个重要技术参数。目前我国现行沥青路面设计规范以弹性层状体系为力学模型，假设路面各结构层界面间接触状态为完全连续，而这显然不符合在役道路层间实际工作状态。因此，进一步真实地描述路面结构的层间接触状态有十分重要的意义。

随着沥青路面层间接触研究的不断深入，发现目前仍有很多问题没有得到有效解决：导致层间接触状态发生变化的原因有哪些，如何进行层间接触状态的演化和特性的表征，用何指标能够科学准确表征不同的层间接触状态。

1 路面结构层间接触状态研究历程

关于层间接触状态对道面影响，这一概念最早是在1962年举行的第一届沥青路面结构设计国际会议上提出。M. R. KRUNTCHEVA等[1]在会上提出层间接触状态的变化可改变沥青路面结构的应力分布，黏结力的下降会影响沥青路面的承载能力，且层间黏结对刚性基层(水泥混凝土板等)沥青路面的影响要大于柔性基层沥青路面。自此，道路结构层间接触状态受到广泛关注，国内外研究学者采用各种方法展开了对道路结构层间接触状态的研究。对于层间接触状态的研究，国内外进程较为一致，可以大致划分为3个阶段：认识阶段、研究阶段、应用阶段。其中，认识阶段基本为20世纪60至70年代，此阶段学者对层间接触状态有了初步的概念认识与分析。20世纪70年代至21世纪初为研究阶段，此阶段产生了有关层间接触状态的不同研究方法和手段，着手探索不同因素对其产生的影响。进入21世纪，随着软件的研究和兴起，学者们开始尝试将层间接触与软件应用相结合，在计算软件中通过各类系数来表征层间接触状态，进行不同层间接触状态下的力学响应研究。

在国外，最早研究层间黏结问题的是J. UZAH等[2]，他应用BISAR对层间抗剪模量变化时对层间应力应变的影响进行分析。分析表明：层间黏结状态从完全连续到完全滑动的过程中，不同的黏结程度对路面结构的应力应变均有很大的影响。F. A. HASSAN等[3]利用BASAR和有限元程序对路面结构层间接触进行模拟和分析得出：基层和路基黏结较差会使路面的使用寿命大约减少80%；基层和路基黏结较好时，其他任意层间黏结较差将会导致路面使用寿命减少40%，且水平力对层间强度影响较大。

国内研究中，有关层间接触状态的研究最早出现在1989年。关昌余等[4]通过室内试验实测抗剪强度和黏结系数并分析了黏结系数的影响因素。此后，道路研究学者们对道路结构层间接触问题开始关注并进行探究。严二虎等[5]在荷载条件下对完全连续和完全光滑两种基面层层间接触状态进行分析得出：层间接触状态对路面结构力学响应有着显著的影响；刘丽[6]对沥青路面U型开裂破坏进行研究，通过分析层间接触条件对其影响得出：提高层间的接触条件可以有效减少沥青路面的U型开裂破坏；胡小弟等[7]通过实测与数值模拟静力分析全面展开对沥青路面力学行为的研究；董泽蛟等[8-9]借助ABAQUS对三向非均匀移动荷载作用下沥青路面的三向应变动力响应开展了数值模拟分析。

2 不同情况下层间接触状态分析及层间接触状态的保持

2.1 不同情况下层间接触状态分析

2.1.1 不同材料层间接触状态的分析

胡耀强等[10]通过ABAQUS分析层间接触状态对应力强度因子的影响。他们认为在沥青加铺层结构中主要存在3个接触面，分别为沥青加铺层和应力吸收层接触(第1界面)、应力吸收层和旧水泥混凝土路面接触(第2界面)和旧水泥混凝土板与基础接触(第3界面)。用层间结合系数f表征层间结合状态：f=0表示完全光滑，f=1表示完全连续，f=0～1表示部分接触。保持第3界面f=0.5不变，分析前2个界面接触状态变化对应力强度因子的影响，以1 cm裂缝长度为例，随着层间接触状态由0～0变化到0～1、1～0和1～1 时，应力强度因子分别减小20.3%、19.1%和25.3%。其中，0～0表示2个界面均光滑，0～1表示第1界面光滑第2界面连续，1～0表示第1界面连续第2界面光滑，1～1表示2个界面均连续。通过研究得出：影响最显著的层间接触关系为应力吸收层与旧水泥混凝土路面层间接触状态。

刘富强[11]提出在车辆动荷载单独作用下和车水耦合作用下，不同基面层之间接触状态与不同轴载对面层畸变能的影响均比较显著且较为相似。当基面层层间处于不同接触状态时，最大畸变能均出现在路面表面和中面层处。随着路面结构深度的增加，畸变能会先逐渐减小再逐渐增大(在中面层处出现极大值后一直减小)；当基面层层间处于完全光滑的接触状态时，畸变能在一开始迅速减小后便保持较小的值。

罗要飞等[12]通过研究得出：面层内不同层位层间接触由完全连续状态转变为滑动状态时，上面层层底弯拉应力分别增加 250.63、68.50 kPa，中面层层底弯拉应力分别增加-53.47、379.24 kPa，下面层层底弯拉应力分别增加-7.57、-50.71 kPa，基层层底弯拉应力分别增加3.14、6.29 kPa，底基层层底弯拉应力分别增加14.2、36.7 kPa。由此得出面层层间接触条件主要影响沥青层底的弯拉应力，而半刚性基层层底弯拉应力受其影响相对较小的结论。

在探究环氧沥青混凝土加铺层机场道面修建技术中，刘鹏程等[13]得出：相比旧水泥混凝土道面板与基础之间的接触状态，环氧沥青加铺层与旧水泥混凝土道面板之间的接触状态对旧水泥混凝土道面板底部最大拉应力的影响更显著。

2.1.2 外界条件对层间接触状态的影响

1)温度。高温容易降低沥青面层抵抗变形的能力、造成沥青路面车辙，且高温会造成沥青面路面层间黏结强度降低，使沥青面层受到的剪应力增大，使路面产生推移和拥包。研究表明：温度升高会使路面弯沉增大的同时相应增加路面结构各位置的最大纵向正应变、最大纵向剪应变、最大横向正应变、最大横向剪应变[11]。

2)黏结剂的影响。我国JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中规定：沥青路面各类基层都必须喷洒透层油，沥青层必须在透层油完全渗透入基层后方可铺筑。在喷洒时，一定要把握黏层油的用量。若用量过大，则会在界面上形成较厚油层，降低集料间的嵌锁和摩擦，造成层间抗剪强度的减小；用量过小则起不到层间黏结作用。

3)水的影响。水分对路面层间接触的影响十分显著。由于沥青路面结构中存在一定的孔隙，水分可以渗入其中，在车辆荷载的作用下易产生高孔隙水压力，对集料周围的沥青黏结料不断的冲刷，最终使沥青黏结料从集料周围脱落，从而出现松散、坑槽等严重破坏[14]。

4)垂直压力。根据库伦-摩尔定理可以得出：较大的竖向压应力会产生较大的摩阻分量，会使层间的抗剪强度增大。

5) 剪切速率。关昌余及其团队做了大量的实验，研究得出：剪切速率越大其层间抗剪强度越大，剪切速率与层间抗剪强度呈幂函数关系[4]。

2.2 层间接触状态的保持

1)在保证基层强度的前提下同时对可能存在浮浆和污染的基层表面进行严格的清扫，对基层表面粗糙度不满足检验要求的局部路段进行相应处理。

2)层间撒布透层能够很好地改善基面层间连续性，很大程度地提高路面结构的承载能力，消除了病害隐患同时提高了结构体系的连续性。

3)进行层间处治工作时应严格管理施工车辆的通行，进行限速、禁止急刹车管理。

4)在半刚性基层材料中渗入柔性较好的透层材料沥青，透层沥青材料的黏韧性相比路面基层有所提高且其具有一定的抗形变能力，这相当于增加柔性材料结构层的厚度，能够有效提高路面的抗形变能力。

3 层间接触的研究方法

由于考虑到层间接触状态受环境影响较为复杂，结合对其表征的困难性，目前对层间接触状态的研究主要是基于试验手段。依据试验手段，能够较为直观地看出沥青路面受层间接触状态的影响。实验室最常用的评估层间接触情况的方法是直接剪切试验。除此之外常用的试验方法还有直剪、拉拔和扭剪。国内外学者根据各自需求有针对性地自行设计了试验仪，对沥青路面的层间接触进行研究。表1简单介绍了10种经典的试验情况。

表1 10种经典试验对比Table 1 Comparison of 10 classic experiments

综上所述，从20世纪60年代初，道路研究学者就已经意识到了层间接触状态可能会引起路面力学响应特性的改变，并制作了各种试验仪器来进行验证。可以看出，设计的剪切试验装置集中于解决两个问题：如何在层间界面施加纯剪切力；如何使剪切应力分布均匀。尽管在设计装置时基本都考虑到了这两个问题，然而在实际情况中，无论试验设备设计的如何精密，在试验中都不可避免地会出现应力局部化现象，试件边缘将发生应力集中，并逐渐向中心方向减弱。利用剪切试验装置，我们可以对沥青路面层间受不同温度、剪切速度、竖向压力、黏层油含量、材料性质的差异等因素进行分析，容易得出各个因素对层间接触影响的程度和趋势，但得到的数值往往有较大误差，很难判断出各种因素对路面结构的力学响应有多大。所以如何将实际试验与理论分析进行对应，由定性分析转向更深层次的定量分析，成为试验分析中需要进一步考虑的问题。

在所列举的试验装置中，试件常采用圆柱形试件，如编号为①、④、⑥、⑦、⑧试验装置中均采用圆柱形试件。编号②试验装置中试样为再生混凝土骨料(RCA)、破碎砖(CB)和再生沥青路面(RAP)，编号③装置采用简单的梁形试件，编号⑤、⑨、⑩试验装置中所用试件均为棱柱形试件。其中编号⑩装置所采用芯样一般为有裂缝或非连续界面的岩体，剪切试验使用的便携式剪切仪主要用于在现场或实验室测试岩石试样的剪切强度。

A.H.DE.BONDT的四点纯剪试验中，使用频率为8 Hz的连续正弦信号(无休息期)进行负荷控制的循环试验。E. DONOVAN设计的夹具，当用作模拟与地质覆盖的混凝土桥面板的夹层时，允许在地质复合膜界面处应用循环剪切载荷。动态试验装置得到的结果更为连续与精确。

崔鹏等[20]通过对水平液压活塞对上盖施加水平力，再由钢绳传到剪切盒上，由一个垂直液压活塞来施加竖向荷载。垂直加载系统还配备了压力补偿器，可补偿试样发生水平位移后使剪切面膨胀产生的垂直荷载的变化，使其保持恒定。试件经受马歇尔击实的一面，可以模拟经过刨铣的旧沥青路面，与新水泥混凝土结合。因此采用直径为10 cm的马歇尔试件来制作圆柱形复合试件，将试件切去一半放入马歇尔试模中，再浇注水泥混凝土形成复合试件，试件成型较为巧妙。

依据各试验原理及其装置，推荐了研究者们根据其试验目的可参考的实验装置。当研究者想要评价沥青混凝土层间的相互作用时可借鉴M. CRISPINO设计的动态试验装置；测量层间抗剪特性时，可参考直接剪切仪、便携剪切仪或DST；在研究黏结层疲劳特性时，可使用DST进行试验评估；重点测试层间黏结效应或评估黏结层有效性时，可参考TCED、LBISD、ASTRA、LPDS或胡力群设计的层间剪切试验夹具。根据其试验目的合理选择实验装置方便对试验进行有针对性的设计。

4 层间接触的表征

对于层间状态表征，一般只假定完全连续或完全滑动两种绝对状态，我国沥青路面施工技术规范中对层间连接状态评价未形成完善体系，在实际施工中由于材料、工序、人为、自然因素、荷载等原因，导致半刚性基层和沥青面层之间并不能够达到完全的连续接触，界面上的应变、应变不能够实现完全协调，使得接触不连续甚至产生滑动。如何准确测定这种中间状态的层间接触并通过定量分析进行界定和表征就显得尤为重要，表征指标已然成为试验与理论之间的桥梁。目前表征主要从模量和系数两个方面入手，表2归纳总结了目前常用的7种层间接触状态的表征形式。

表2 7种层间接触的表征形式Table 2 The characterization form of seven kinds of interlayer contact

可以看出，不同表征形式采用了不同的表征指标，各指标对于层间接触状态的界定也不尽相同。

1)采用层间黏结系数k来界定接触情况时，k=0表示层间完全光滑；k=1表示层间完全连续；层间处于半连续光滑状态时，0

2)在关昌余的研究模型中，式中τzri=τzri+1分别代表在第i个层间接触面上、下两层之间的剪应力，ui+1和ui则分别代表同一点上、下两层位移值，ki即为全界面的层间抗模量。这种表征方式借鉴了黏结系数k的原理。

3)黏结层失效系数TFR是指上层沥青层的估算模量与下层沥青层的估算模量的比值，当TFR=1，表示层间完全接触；当TFR=0，表示层间完全不连续。这种表征方式可通过分析不同结构层的刚度模量简单直观地判断层间接触的好坏，但其缺点是没有上升到理论层面。

4)薛亮通过定义层间滑移系数α来模拟层间结合条件时，理论中当α=0表示完全结合；当α=1表示完全自由；实际参数定义时当α=0.99时就视其为完全滑移，所以滑移系数在分析参数中的取值范围定义为0～0.99。滑移系数α优点在于可以定量的研究层间不同滑移条件下沥青路面结构力学响应，能够用于评价实际工程中路面结构层层间接触的优良程度，但还是没有上升到理论层面。

5)冯德成定义的计算模型中，λk为层间黏结系数不同时计算所得的路面设计指标值；λs和λc分别代表路面结构中面层与基层间完全滑动和连续状态下计算得到的路面设计指标值。通过引入层间黏性百分率β来表征实际路面半结合状态下计算所得的设计指标值与按层间完全连续与完全滑动计算值的关系。

6)柳浩将层间状态用柔量系数ALK来表征，简化柔量系数ALK是在抗剪系数的基础上提出来的。此研究优点在于运用ALK研究不同计算点位对层间接触的差异性，当ALK>18时基层和面层相对位移出现迅速增长，越靠近车轮作用中心位置层间结合状态对应力突变的影响越大。缺点是运用弹性理论体系，与实际的层间接触状态存在差异性。研究认为，当ALK为荷载作用半径δ的100倍(即ALK/δ=100时，可认为层间为完全光滑；当ALK=0时，则认为层间完全连续。

BISAR中关于层间接触状态的界定有3种形式：标准剪切弹簧柔度Cs；层间摩擦参数α；减缩剪切弹簧柔度Cr。在这3种表现形式中，Cs的物理意义即为表2中的AK，其值等于层间黏结系数k的倒数。Cr的物理意义与表2中简化柔量系数ALK一致。所以，当采用BISAR计算软件时，选用系数AK或ALK较为便捷，不需换算即可使用。

为了方便快捷地测定路面的滑移程度，推荐采用李东华提出的黏结层失效系数(TFR)或者薛亮提出的层间滑移系数α来进行表征。这两种方法中参数较少，方便测量。当试验中需要测得位移时，表征参数可选用层间黏结系数、弹簧柔度或层间简化柔量系数。

5 层间接触在铺面结构中的应用

在铺面结构中，层间接触状态主要应用于BISAR、ANSYS和ABAQUS等软件，都通过输入选取的参数来表征不同层间接触状态，进而研究考虑层间接触状态的路面结构力学响应分析。不同的是，BISAR只能分析静力作用下路面结构的力学响应，无法获得移动荷载作用下路面结构的力学响应，而ANSYS和ABAQUS还包括动态分析，可以给出在移动荷载作用下的力学响应。

BISAR计算中一般假定所有结构层间黏结都非常好，但可通过引入AK或ALK来表征层间滑动(部分或完全)。BISAR中的剪切弹性柔量并不是经典的摩擦系数，它不仅在动态和静态条件下取值不同，还取决于外加荷载的直径。ANSYS和ABAQUS关于层间接触的表征较为相似。其中，ANSYS通过定义材料属性时设置层间摩擦系数MU，在模型单元特性中设置参数给定绑定接触行为；ABAQUS通过输入摩擦系数μ来提供摩擦特性，定义包括接触面之间的法向作用和切向作用两部分接触属性。

朱俊等[26]采用BISAR建立力学计算模型得出：路表弯沉、面层层底拉应力和面层剪应力等路面力学响应随着路面层间状态的失效而趋于不利的受力状态，并建议层间剪应力应作为控制指标或验算指标在路面设计中予以体现。张久鹏等[27]在BISAR中运用剪切弹性柔量表征层间的接触状态，当沥青基面层间处于连续状态时，沥青面层以受压为主，当层间界面条件转化为滑动状态时，结构的整体受拉范围已扩展到中面层，且基面层间拉应力出现很大的突变，受力状态趋向不利。赵孝辉[28]采用ANSYS对考虑层间接触状态的沥青路面进行了数值模拟，对比接触模型和连续模型沥青路面结构层力学响应结果可以看出接触模型的受力情况与实际路面较为符合。通过模拟不同层间接触状态下沥青路面结构接触模型的力学响应得到：接触不良会显著提高路面弯沉、层底最大主应力和最大剪应力，对沥青路面各项指标均有较大影响。

综上所述，层间接触在铺面结构中的应用较为成熟，可以看出是否考虑层间接触状态对道路响应影响显著。但对其表征仍不明确，目前仍停留在经验上，ABAQUS中常取摩擦系数为0.5来表征接触，用以对比完全连续和完全接触模型。对比不同层间接触状态时，常选取摩擦系数为0.3、0.5、0.7等值来研究力学响应。ANSYS中的摩擦系数也没有明确的推荐取值，莫熊等[29]在考虑层间黏结状态的大厚度半刚性基层沥青路面结构有限元分析模型中，分别取摩擦系数为0、2、4、6、8、10、12来表征上下基层间的黏结状态。用参数来表征层间接触状态是较为简单，但仅用一个参数是否能表征复杂的层间接触状态仍有待考究。

6 结 论

纵观目前关于层间接触状态的研究现状可知该领域的研究方向主要围绕影响层间接触的因素、如何测定不同层间接触状态下路面的力学响应开展，试验中通常直接给定不同温度、荷载、有无透层油等条件，来判定各个因素对层间接触的影响并进行表征。这些因素虽然具有较强的广泛适用性，但对于条件不同的地域环境，不具有代表性。近些年来随着国家以建设“丝绸之路经济带”等经济发展战略的出台和大力推进，将全面展开对中西部地区以公路为代表的基础设施建设。这将极大提升和改善中西部地区的交通状况。但同时由于这些地区气候环境复杂，盐渍化严重，故在水、温、盐渍化的特殊服役环境下，沥青道路出现诸多病害，因此如何解决以盐渍化为主导因素影响下的沥青路面层间接触状态成为盐渍化地区道路建设和科研人员亟待解决的学术和工程问题。

有关路面层间接触状态研究的问题与展望如下：

1)目前对沥青道路性能问题的研究主要围绕路基结构强度、变形以及路面材料力学性能衰变规律开展，而对影响路面结构力学行为的路基路面不协调变形、层间接触状态特性、演变规律以及路面结构损伤机理及表达，尚缺乏系统、完善的研究。

2)荷载、温度、水盐等多场耦合作用下层间演变规律与特性的演变过程及其表征。

3)对层间接触状态研究的最终目标是构建路面结构接触效应的表征模型和接触状态演变的力学行为方程，实现多尺度的路面结构性能损伤机理感知以及路面结构损伤行为的合理表达，从而对层间接触有更深的理解。

4)研制新型试验设备，将试验和数值模拟无缝对接、准确表征并验证。