冷热-荷载共同作用下的半柔性路面特性研究

摘 要：本文利用ABAQUS建立半柔性路面数值模型，探究温度冷热循环和车辆荷载共同作用下半柔性复合路面的受力变形特性，结果表明：随温度上升，面层层底最大压应力、剪应力和路表最大弯沉值均逐渐增加，最大剪应力的增长速率逐渐提高，最大压应力呈现显著的线性特征，而最大压应变的增加速率逐渐平缓。随着温度降低，最大压应力、剪应力、压应变和路表最大弯沉值逐渐减少，且减少速率均逐渐平缓，且在温度降低过程中，半柔性复合路面路表弯沉值主要受车辆荷载作用影响，对温度变化未表现出较强的敏感性。在冷热循环条件下，周期性的膨胀收缩会导致半柔性路面结构的内部应力变化剧烈，出现应力集中现象，导致疲劳开裂。

关键词：半柔性路面；车辆载荷；变形规律；冷热循环；力学响应

中图分类号：U 41" " " " " " 文献标志码：A

半柔性路面是一种兼具韧性与刚性的新型路面，它通过在大孔隙、开级配的沥青混合料基层中灌注以水泥为主要黏结剂的浆体复合物制成[1]。这种路面因其卓越的道路使用性能和抗疲劳特性，在机场、停车场、海港等承受高负荷的区域内得到了广泛应用[2-4]。但半柔性路面是复合结构材料，容易产生开裂病害[5-6]，因此大量学者对半柔性路面材料开裂规律进行了研究。梁遐意[7]在水泥砂浆中掺加乳化沥青，制备特殊型水泥砂浆，并采用间接拉伸疲劳试验研究评价其对半柔性路面结构抗疲劳性能影响。试验表明，乳化沥青可显著提升半柔性路面的抗疲劳性能，并且基体空隙率越大，半柔性路面结构的抗疲劳性能越低。秘荣明等[8]通过低温劈裂试验探究不同种类沥青、油石比和纤维掺量对半柔性路面的低温抗裂性能的提升效果。结果表明，选用高黏度改性沥青、增加沥青含量和掺入适量纤维可提高半柔性路面材料的低温劈裂强度。

在某些地区，气温差异显著，这种持续的温差环境极易诱发半柔性路面的开裂现象。因此本文基于有限元方法，探究了温度冷热循环和车辆荷载共同作用下半柔性路面受力变形特性研究，以此分析路面开裂演变规律。

1 建立半柔性路面有限元模型

利用ABAQUS建立半柔性道路二维简化数值计算模型。道路整体结构是带状构造物，宽度为6m，深度为5.5m，面层采用半柔性路面材料，基层层简化为单层水泥稳定碎石层，面层厚度取10cm、基层厚度取30cm、底基层厚度取20cm、土基厚度取5m。模型网格采用 C3D8R 减缩积分单元，对轮胎荷载以下区域进行更精密单元划分，以降低计算复杂度并保证结果准确性。模型如图1所示。

设置模型下边界为完全固定约束，左右边界约束其水平方向的位移，上边界为自由边界。由于半柔性路面材料中沥青混合料的弹性模量值受温度变化影响显著，因此通过改变面层的弹性模量值来实现数值模拟过程中的温度周期性变化效果。道路各结构层材料参数见表1。

按照先增加后减少的规律周期性施加车辆荷载，胎压为0.7MPa，轴重100kN。

2 冷热循环过程半柔性路面受力变形特性分析

2.1 升温过程面层层底受力变形特性分析

通过不断降低面层弹性模量模拟升温过程，温度和车辆荷载共同作用下的面层层底受力变形特性如图2所示。

从图中可以看出，随着温度升高，半柔性面层层底的最大压应力逐渐增加。随着温度从20°C升至35°C，面层层底的最大压应力从0.0967MPa增至0.4752MPa，面层层底最大压应力随着温度升高呈现显著的线性特性，温度变化对最大压应力的变化幅度未产生明显影响，说明压应力主要受车辆荷载作用的影响，而对温度变化的敏感性较低。随着温度升高，半柔性复合路面面层的沥青混合料受热变软，在车辆行驶过程中，车轮对道路面层部分施加的压应力和剪应力的共同作用容易引发路表剪切破坏，导致开裂现象。

在温度从20°C升至25°C 的过程中，面层层底最大剪应力从0.0968MPa增至0.1923MPa，在温度从30°C升至35°C的过程中，面层层底剪应力从0.3057MPa增至 0.4877MPa，后者增长幅度是前者的2倍。随着温度升高，路面层底部的剪应力增长趋势愈发显著。路面底部与基层顶部之间存在高强度的压应力，且无法有效释放温度变化诱发的体积变动所生成的应力，因此在结构内部形成应力集中效应。此效应使表面拉应力与内部剪应力进一步增加，加速了表层微小裂缝的扩展速度。

当温度从20°C升至25°C时，面层层底的最大压应变从5.29με增至9.99με，差值为4.7με；当温度从30°C升至35°C时，面层层底最大压应变从14.11με增至17.31με，差值为3.2με，最大压应变增长速率呈现平缓趋势。

2.2 降温过程面层层底受力变形特性分析

通过不断提高面层弹性模量模拟降温过程，温度和车辆荷载共同作用下的面层层底受力变形特性如图3所示。

从图中可以看出，随着温度不断降低，半柔性面层层底的最大压应力逐渐减少，随着温度从25°C降至15°C，最大压应力从0.6656MPa减至0.3646MPa；当温度从10°C降至0°C时，最大压应力从0.2602MPa 减至0.0846MPa，前者的降幅是后者的1.72倍。说明随着温度下降，压应力的减速逐渐趋于平缓。半柔性面层在经历升温过程后，体积会发生膨胀，此时环境温度开始降低，面层受冷发生收缩变形。基层变形具有滞后性，面层与基层的变形并不同步，因此在面层底部产生了显著的压应力集中现象，这种应力集中是裂缝萌生及扩展的诱因，在周期性的膨胀收缩变形下，会导致疲劳开裂。

随着温度不断降低，半柔性面层层底的最大剪应力逐渐减少。当温度从25°C降至15°C时，面层层底的最大剪应力从0.7309MPa减至0.3833MPa； 当温度从10°C降至0°C时，面层层底最大剪应力从0.2875MPa减至 0.0963MPa，在相同降温幅度下，前者的差值是后者的1.83倍，说明剪应力对温度降低具有显著的敏感性，随着温度降低，面层层底最大剪应力的减少速率逐渐变缓。在经历冷热交替循环作用后，表面裂痕与过渡层间的裂缝相互交织时，它们使表层趋向中心区域产生缓位移，但表层下方存在反向抵制的力量，这种现象在表层内部诱发了显著的剪切应力。因此，随着外部加载力逐渐减少，原本预期中剪应力减少的趋势变得更为平缓。

当温度从25°C降至15°C时，面层层底的最大压应变从25.91με减至19.81με，差值为6.1με，当温度从10°C降至0°C时，面层层底压最大应变从15.61με减至5.67με，差值为 9.94με。在温度从25°C降至0°C的过程中，压应变的减少速率逐渐提高，因此在温度较低的范围内，面层底部的压应变呈现出更为显著的增加趋势。

3 路表弯沉值分析

3.1 升温过程路表弯沉值变化分析

升温过程中路表弯沉值随温度的变化曲线如图4所示。

从图中可以看出，随着温度升高，路表最大弯沉值逐渐增加，当温度从20°C升至25°C时，路表弯沉值从0.193mm增至0.294mm，增长幅度为0.101mm，当温度从30°C升至35°C时，路表弯最大沉值从0.470mm增至 0.785mm，增幅为0.315mm，在相同升温幅度下，后者为前者的3.12倍，说明随着温度升高，路表最大弯沉值的增长速率逐渐加快。

3.2 降温过程路表弯沉值变化分析

降温过程中路表弯沉值随温度的变化曲线如图5所示。

从图5中可以看出，随着温度降低，路表最大弯沉值逐渐减少，半柔性材料弹性模量逐渐升高，材料硬化导致路表弯沉值逐渐减少。当温度从25°C降至15°C时，路表最大弯沉值从1.64mm减至0.749mm，差值为0.515mm，温度从10°C降至0°C时，路表最大弯沉值从0.530mm减至0.214mm，差值为0.316mm，减速变缓，但幅度变化并不显著，说明在温度降低过程中，半柔性复合路面路表弯沉值主要受车辆荷载作用影响，对温度变化没有太强的敏感性。

4 结论

本文利用ABAQUS建立半柔性路面数值模型，分析了在温度冷热循环和车辆荷载共同作用下半柔性复合路面的力学响应特性，得出以下主要结论。1）随着温度升高，面层层底压应力、剪应力和路表弯沉值均逐渐增加，剪应力的增长速率逐渐提高，压应力表现出显著的线性特征，而压应变的增加速率逐渐平缓。在这个过程中，路面底部与基层顶部之间有高强度的压应力，且温度变化引起的体积变动产生的应力无法有效释放，因此在结构内部形成应力集中效应，使表面拉应力与内部剪应力的进一步增加，加快了表层微小裂缝的扩展速度。2）随着温度降低，最大压应力、剪应力和路表最大弯沉值逐渐减少，且减少速率均逐渐变缓。表面裂痕与过渡层间的裂缝在经历冷热交替循环作用后会相互交织，这种现象使表层向中心区域出现位移，但表层下方存在反向抵制的力量，会在表层内部诱发显著的剪切应力产生，因此，随着外部加载力的逐渐减少，原本预期中剪应力随之减少的趋势会变得更为平缓。

参考文献

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