水应力耦合对沥青路面动态力学性能的影响

安 江 龙

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

沥青路面结构的开裂、剥离等与路面材料在外部环境中的力学行为密切相关[1]。近年来北方地区强降雨造成大量沥青路面结构损毁，中国南方高湿度、高温度的气候使沥青路面暴露在漫长的雨季和恶劣的交通条件下，导致沥青路面使用寿命缩短(施工完成后一两年)和巨大的经济损失[2,3]，水对沥青路面力学性能的影响不容忽视。

很多学者对沥青路面的开裂进行过研究[4]。以结构特征为分析对象，沥青混合料的水分侵蚀受沥青化学、骨料矿物学、表面纹理以及沥青结合料与骨料之间粘附力的影响[5]。一些研究表明，水分损害是由沥青混合料中的空隙分布和连通性造成的[6]。沥青路面的水力断裂也受到外部荷载的影响[7]。车速对路面变形的产生也具有很大影响[8]。当水渗入沥青和骨料的界面，车辆超载时会产生过大的孔隙水压力，导致沥青膜与骨料表面分离。这种情况会使路面出现凹坑和凹槽，这些凹坑和凹槽可能会形成松散的结构或裂缝，并迅速降低抗剪切或滑动破坏能力，骨料间的粘结力已被削弱。

沥青路面是由骨架、空气和自由水组成的多孔介质。多孔介质可在大约1 h后被水浸泡而达到饱和，且车辆荷载可驱动孔隙水在沥青路面中快速移动。综上分析，本文的研究目的如下：建立水—应力耦合模型，模拟移动车辆荷载作用下沥青路面的应力分布，分析水—应力耦合对沥青路面损伤的影响，为沥青路面损伤的控制提供技术依据。

1 研究方法

沥青路面作为三相多孔介质，遵循强度理论、变形理论和渗透理论。饱和沥青路面应考虑有效应力原理。沥青路面浸水时，骨架应力的分布受应变和孔隙水压力的影响。应力和应变之间的本构关系如下[9]:

σij=2Gεij+[λεv+αp]δij

(1)

(2)

其中，Kp为多孔介质体积模量；Ks为固体颗粒体积应变的体积模量。

颗粒体积应变为：

εv=ε11+ε22+ε33

(3)

其中，δij为克罗内克符号。

水渗入沥青路面后，在车辆荷载作用下，孔隙结构将变形，并改变孔隙水压力。该过程可采用比奥固结理论计算。利用该理论可同时获得应力、应变和孔隙水压力。本文建立的基于弹性应力—应变关系的耦合模型方程式可以表示为：

(4)

其中，u为固体骨架位移；Vs为固相移动速率；ne为孔隙率；qw为多孔介质的平均速率。

本文设计的路面结构如图1所示，其宽度为2 m，厚度为0.74 m。计算的模型常数如表1所示。车速为90 km/h，路面的垂直荷载为F=50 kPa。标准轴载荷下的轮胎压力为0.7 MPa。左右两侧边界没有横向位移，底部边界没有垂直位移，上部边界是自由的。

表1 路面模型结构参数

2 结果分析

在施加应力后，研究结果表明：在施加超载的路面附近，应力局部化现象很明显。垂直应力随人行道表面下方深度的增加而减小。人行道上的最大应力发生在最重的交通状况下，这与车辆负载的影响非常吻合。剪应力主要集中在载荷边界正下方的区域，同时也在向基层扩散和减少。拉应力主要分布在人行道底部周围，这主要是因为当车辆负载转移到基层时，载货量急剧下降，其余大部分转化为拉应力有关。剪应力与轴位于工作表面和非工作表面之间的界面处对称分布。拉应力随着距加载区域的横向距离的增加而逐渐减小。与基础层相比，表面的剪应力值更大且更集中。

2.1 表面弹性模量的影响

本文考虑了三种不同的表面模量即1 300 MPa，1 600 MPa和1 800 MPa，以分析对应力分布的影响。孔隙水压力和应力场的模拟结果如图2，图3所示。图2给出了上表面荷载作用下沿垂直方向孔隙水压力的变化曲线，可以看出：表层内存在最大液压，底座中的液压随着深度的增加而减小，减小的程度较小。较小的模量会产生较大的液压。它们之间的差值在表层为1.5 MPa，在基础层为0.6 MPa，这主要是由于路面上的车辆载荷被限制在表层内导致的，即载荷波在表层内的传播很明显且对表层区域以下影响很小。因此，表面层上的液压压力受其影响将发生很大的变化。另外，当表面材料的模量较大时，抗压强度较高，固体骨架的变形较小。

图3，图4给出了路面上的应力分布可以看出：径向应力受表面层模量的限制较少，表面层的模量对剪切应力产生了很大的影响，并且在表面层的中心附近影响变得更大。因此，路面的上层对于控制剪切应力的向下发展至关重要。

图5显示了在不同表层渗透率下水压随深度的变化。当渗透率增加时，在车辆加载的瞬间，水压的变化率较小，这主要是由于在荷载作用下人行道变形时，具有较大渗透率的路面结构中孔隙液体的渗透速度更快。

图6给出了受渗透性影响的路面中的应力场分布。随着渗透率的增加，在外力作用下垂直应力的响应时间在逐渐缩短。表层渗透率的变化几乎不影响水平应力的分布，但表层中的剪切应力随着渗透率的增加而逐渐增加。

2.2 路面厚度的影响

本文选择了三种路面厚度进行数值分析，分别为0.12 m,0.15 m和0.18 m，孔隙水压力的结果见图7。

从图7可以看出：在车辆施加载荷后的短时间内，人行道中的孔隙水压力表现出非常急剧的变化。随着路面厚度的增加，水压的波动相应增加，最大的孔隙水压都出现在两层的中间。假定路基的渗透性始终比路面材料的渗透性小得多，那么在饱和状态下的车辆载荷下，孔隙水将被驱使迅速向上边界排放。因此，在较薄的路面上，孔隙水压力的梯度会相对较小。表面层厚度对水平应力的影响不明显，但在剪切应力下可观察到，同一位置处的剪应力随着表面层厚度的增加而减小。这种现象表明路面厚度可能有效地阻碍了力的传播。因此，合适的路面厚度设计对于路面稳定性至关重要。

3 结语

本文研究了车辆荷载作用下饱和路面的动力特性，研究结果表明：应力局部化在表层更加明显；增强表面沥青的水稳定性对于延长使用寿命很重要；应力载荷主要在表层内扩展和分布，并对较深的区域影响很小；对于较小模量的路面，在车辆载荷作用下会产生较高的孔隙水压力；路面的抗剪强度主要由上表层控制；模量对剪切应力的变化无影响。