重载下层间局部粘结失效对沥青路面应力应变的影响

杜 铭

(重庆两江交通规划勘察设计研究有限公司，重庆 401147)

1 概述

沥青路面的设计研究是将沥青路面各层看成均质、各向同性、各层连续的层状体，主要考虑层间接触状态的整体变化，即假设沥青路面的结构层之间的粘结状态完全一致。但是根据现场钻心和道路使用过程中调查的结果表明：沥青路面实际层间接触状态往往不是完全接触，层与层之间的接触变化也是不同的。层间接触破坏通常是一个渐变的过程，由最初的一小块区域逐渐延伸，最后导致路面发生破坏。这种破坏在重载道路上尤为突出，因此研究重载作用下基面层的局部粘结失效对揭示沥青路面破坏具有重要意义。

2 在ABAQUS中局部层间接触状态的模拟

2.1 有限元模型参数

本文采用半刚性基层沥青路面结构形式，建立有限元模型，路面结构参数见表1，为了方便建立模型，加载区域采用矩形。

表1 路面结构参数

计算发现模型尺寸只要大于3倍的双轮加载的间距，即可满足精度要求，因此综合考虑计算时间和结果精度，初步选择6 m×6 m×6 m模型尺寸。

2.2 ABAQUS中摩擦的定义

在两个表面发生接触时，在接触面之间一般会传递法向和切向两个力，这样在分析中就要考虑阻止表面之间相对滑动摩擦力。在ABAQUS中用库仑摩擦模型τcrit=μP来描述接触面之间的摩擦行为。其中，μ为摩擦系数；P为两个接触面之间的接触压力。

模拟理想的摩擦行为是极为困难的，因此，ABAQUS使用一个容许“弹性滑动”的摩擦计算公式，“弹性滑动”是在粘结的接触面之间发生的小量相对移动，ABAQUS会自动选择刚度，并且这个“弹性滑动”是单元特征的很小一部分。

模拟计算中认为基层和面层之间能够传递接触压力，且大小不受限制，当接触压力变为负值或0时，两个接触面发生分离，并且相应结点上的约束会失效。其他区域的接触面在整个分析过程中都是始终紧密接触的，相当于将两个部分定义为一个整体。

2.3 工况分析

为了研究失效区域的大小对应力应变的影响，在基层顶以荷载作用的中心为重心，以平行和垂直于行车方向的线段做正方形形状的粘结失效区，正方形的边长分别取0.1 m，0.2 m，0.4 m，0.6 m，然后分别取轴载为100 kN,200 kN,300 kN对路面结构进行加载。为了研究半失效状态(摩擦系数)对力学指标的影响，本文取局部粘结区正方形边长为0.6 m，摩擦系数分别取0.1，0.5，0.8，1.0，1.5；在荷载作用下观察其力学指标的变化，并与完全粘结和完全失效进行对比。由计算可知，层间接触模型对压应力、无机结合料层层底拉应力和土基顶面压应变影响较小，因此本文主要选取最大剪应力和沥青层层底拉应变作为力学指标。

3 层间粘结状态对应力应变的影响

3.1 层间粘结状态对剪应力的影响

图1为不同粘结失效区域对剪应力深度方向的影响。考虑局部层间粘结失效区域时的最大剪应力在深度方向上的变化规律同未考虑粘结失效区域的基本相同，最大值在上面层底部取得，轴重相同时各工况下最大值的数值近似相等；考虑粘结失效区域和未考虑粘结失效区域的剪应力相比，唯一的区别是在下面层底的位置，考虑局部粘结失效时剪应力会发生减小的突变，且随着失效区域面积的增大这种突变越明显。

随着粘结失效区域的增大，中面层底粘结失效区域存在一侧的剪应力逐渐减小，粘结失效区域为60 cm×60 cm时的剪应力是完全粘结时的38%(见图2)。

随着摩擦系数的增大，下面层底剪应力逐渐增大，剪应力的最大值逐渐减小，但是整体而言，影响的效果不明显，因此，摩擦系数对剪应力的影响可以忽略不计(见图3)。

3.2 粘结状态对沥青层层底拉应变的影响

由计算可知：

当粘结失效区域小于20 cm×20 cm，沿行车方向的拉应变在中面层底荷载作用区域中心位置取到最大值，当粘结失效区域大于20 cm×20 cm，沿行车方向的拉应变在下面层底荷载作用区域中心位置取到最大值；粘结失效区域的存在使得两车轮荷载作用区域的拉应变不再相等，并在失效区域的一侧取得最大值。因此，局部粘结失效会使得沥青路面产生不平衡的拉应变，且该应变大于不考虑粘结失效区域时的拉应变，从而缩短路面的疲劳寿命(见图4)。

随着摩擦系数的增大，层底拉应变的最大值逐渐减小，说明沥青层层底拉应变变化趋势逐渐向完全粘结时靠近，此时最大值的位置逐渐向中面层底靠近；随着摩擦系数的增加，拉应变最大值逐渐减小，因此，摩擦系数的增加会增大沥青面层的疲劳寿命(见图5)。

4 结论

本文采用有限元软件ABAQUS对不同重荷载下的沥青路面应力应变进行评价，主要结论有以下三点：1)局部粘结失效区域的存在使得粘结失效一侧下面层层底的剪应力减小，粘结失效区域越大，减小效果越明显。2)随着局部粘结失效区域的增大，中面层底和下面层底的拉应变增大，并且当粘结失效区域较小时，拉应变的最大值在中面层中取得，当粘结失效区域较大时，拉应变的最大值在下面层取得。3)摩擦系数及层间接触状态对最大剪应力的影响很小，可以忽略不计。对拉应变的影响较大，拉应变最大值随着摩擦系数的增大而逐渐减小。