路面不同层间接触条件下基层及路床的力学响应有限元分析

王宗璞

(邢台道桥建设工程有限公司 邢台市 054001)

0 引言

目前世界范围内沥青路面基本由多层结构构成，主要包括面层、基层及路基等。目前的路面结构设计理论认为，各结构层均为有效粘结，但随着沥青路面应用的逐步深入，各结构层间粘结不良导致的问题也层出不穷，随之各国学者也开展了各类研究，对路面不同结构层间的不完全粘结导致的问题进行了不懈探索。

1962年在第一届沥青路面结构设计国际会议上M.R.KRUNTCHEVA[1]等第一次提出了路面层间接触状态会改变路面结构的应力分布，自此，国内外学者开始了对路面各结构层接触状态的研究。J.UZAH等使用Bisar程序对路面层间应力应变进行了分析，研究表明，当层间界面变化时，层底径向应变存在有压应变变为拉应变的情况[2]；F.A.HASSAN[3]等利用Bisar程序和有限元程序分析了基层与路基粘结情况对路面使用寿命的影响，研究表明，基层和路基黏结较差会使路面的使用寿命大约减少80%。同时，国内学者[4-7]也采用Bisar程序对路面不同层间结合情况开展了相关力学性能研究，纪小平[4-5]对不同路面接触条件下的层底拉应力、最大剪应力、土基顶面竖向压应变进行了分析，同时对路面高温稳定性进行了讨论，研究表明，完全光滑的层间接触大幅提高了沥青面层的最大剪应力，加速面层发生剪切破坏而形成车辙；唐承铁[6]对不同层间接触下的半刚性路面疲劳特性进行了研究，研究表明，上下基层间、面层与基层间、沥青中下面层间的相对滑动对半刚性基层的疲劳特性影响最大；罗要飞[7]使用剪切弹性柔量接触模型对路面面层间、基-面层间的力学性能与疲劳特性进行了研究，研究表明，层间接触条件的恶化是导致路面加速破坏的重要原因，当上-中面层、中-下面层、基-面层层间接触条件由连续转变为滑动时，路面结构的疲劳寿命分别降低52.3%、71.5%、83.0%。

随着我国《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017的发布，层间结合能力对路面结构的影响逐步得到了广泛重视，尤其对无机结合料稳定层层底拉应力及路床顶面竖向压应变等内容进行了相应要求，而目前国内则缺乏相关指标内容。因此，建立了有限元模型，对不同层间接触条件下的路面无机结合料稳定层层底拉应力及路床顶面竖向压应变等进行了有限元模拟计算，进而对路面设计指标进行相应完善。

1 有限元模型的建立

采用半刚性基层路面结构形式建立模型，各结构层分别为上面层(4cm)+中面层(6cm)+下面层(10cm)+上基层(18cm)+基层(18cm)+下基层(18cm)。其中上面层为AC-13型沥青混合料，中面层为AC-20型沥青混合料，下面层为ATB-25型沥青稳定碎石。基层采用水泥稳定碎石，上基层、基层水泥用量5%，下基层水泥用量3%。

建立5m×5m×4.74m有限元模型，采用Solid45单元模拟各结构层。层间接触单元采用Contact170(目标单元)和Contact174(接触单元)进行模拟，车辆荷载为标准轴载(BZZ-100)。

图1 模型建立

以完全粘结情况为初始模型进行对比，同时分别以上、中面层、中、下面层、下面层与上基层建立接触模型，以模拟不同结构层的粘结状态，并以摩擦系数μ表示层间的接触状态。μ=0表示完全光滑状态，μ=1表示完全接触状态，μ=0.5表示半接触状态，具体接触编号规则如图2，如7-6-1则表示AC-13与AC-20时摩擦系数为1时的接触状态。

图2 接触编号

2 不同接触条件下的层间力学响应

通过分析不同接触状态下的层间结构模型，进而得到不同路面结构层接触状态下的路面无机结合料稳定层层底拉应力及路床顶面竖向压应变的变化规律。

2.1 层间接触状态对无机结合料稳定层层底拉应力的影响

无机结合料稳定基层层底拉应力对路面结构耐久性有较大影响，不同接触条件下的无机结合料稳定层层底拉应力如表1。

表1 距离荷载中心位置不同位置下无机结合料稳定层层底拉应力(单位：kPa)

从数据中可以看到，在不同接触条件下，无机结合料稳定层层底均受拉。随着不同层间粘结不良情况的发生，无机结合料稳定层层底拉应力逐步增大，当接触发生在5-4时层底拉应力增幅最大，最大增幅达到50.46%。当接触情况发生在同一层位时，摩擦系数的不同对层底拉应力有一定影响：当层间接触发生在7-6时，最大拉应力由70.14kPa(7-6-1)增加到72.84kPa(7-6-0)，增长率3.85%；当层间接触发生在6-5时，最大拉应力由82.76kPa(6-5-1)增加到84.01kPa(6-5-0)，增长率3.85%；当层间接触发生在5-4时，摩擦系数对层底拉应力影响较大，最大拉应力由87.27kPa(6-5-1)增加到98.34kPa(6-5-0)，增长率12.68%。从数据分析可以发现，由于无机结合料稳定层层底始终处于受拉状态，不同的接触条件均容易造成无机结合料稳定层受拉疲劳破坏，其中以5-4接触影响最大。

2.2 层间接触状态对路床顶面竖向压应变的影响

路床顶面竖向压应变的控制可以有效控制路面车辙问题的出现，同时也可以为各路面结构层永久变形提供理论依据。不同接触条件下路床顶面竖向压应变如表2。

表2 距离荷载中心位置不同位置下路床顶面竖向压应变(με)

从表2可以看到，路床顶面最大压应变发生在荷载中心位置正下方，与路面各结构层完全粘结相比，不同接触条件下均会导致路床顶面竖向压应变的增大。当接触发生在7-6时，路床顶面最大压应变发生在7-6-0为-148.95με，较层间完全粘结情况增加了12.96%；不同摩擦系数下路床顶面竖向压应变由-143.53με(7-6-1)增加到-148.95με(7-6-0)，增加了5.42με，增长率3.78%。当接触发生在6-5时，路床顶面最大压应变发生在6-5-0为-175.58με，较层间完全粘结情况增加了33.16%；不同摩擦系数下路床顶面竖向压应变由-171.91με(6-5-1)增加到-175.58με(6-5-0)，增加了3.67με，增长率2.13%。当接触发生在5-4时，路床顶面最大压应变发生在5-4-0为-212.53με，较完全粘结情况增加了61.18%；不同摩擦系数下路床顶面竖向压应变由-190.81με(5-4-1)增加到-212.53με(5-4-0)，增加了21.72με，增长率11.39%。

从数据分析中可以看到，不同层间粘结不良情况的发生均会导致路床顶面竖向压应变的增加，摩擦系数变化对路床顶面竖向压应变影响较小。当层间粘结情况不良发生在ATB-25与基层时，路床顶面竖向压应变增幅最大。

3 结论

以国内典型路面结构为依据，使用ANSYS建立了5m×5m×4.74m路面有限元模型，同时以接触对的形式模拟了不同路面结构层间粘结不良的情况，分析了不同接触情况下的无机结合料稳定层层底拉应力及路床顶面竖向压应变，具体结论如下：

(1)计算结果表明，无机结合料稳定层层底始终处于受拉状态，不同的接触条件均容易造成无机结合料稳定层受拉疲劳破坏，当粘结不良情况发生在下面层与上基层时，对无机结合料层底拉应力影响最大。

(2)路床顶面压应变变化对基层反射裂缝及路面车辙等有较为明显的影响，当层间粘结情况不良发生在ATB-25与基层时，路床顶面竖向压应变增幅最大，因此在施工过程中应注意下面层与上基层的粘结控制。