中、下面层局部全脱空对三层结构面层的沥青路面受力影响*

宋朝林，宁金成

(1. 三门峡市公路局设计院，河南 三门峡 472000； 2. 河南交通职业技术学院，河南 郑州 450005)

中、下面层局部全脱空对三层结构面层的沥青路面受力影响*

宋朝林1，宁金成2

(1. 三门峡市公路局设计院，河南 三门峡 472000； 2. 河南交通职业技术学院，河南 郑州 450005)

采用3层结构的沥青路面典型结构，针对中面层与下面层局部全脱空的情形，考虑荷载作用在脱空中部以及边缘两种不同的荷载作用位置，利用有限元方法，建立全黏结、局部全脱空的对比模型，计算研究竖向荷载作用下不同层间接触状态的沥青路面各层的弯沉、剪应力与弯拉应力，并对比不同荷载作用位置对各层力学响应的影响。研究表明：局部全脱空对面层相应的影响不可忽略。

道路工程；沥青路面；面层；基层；局部脱空

在进行沥青路面设计计算时，假定面层间相互作用为连续状态。而通过道路现场取芯及道路投入使用后续调查结果表明：沥青路面实际层间状态往往偏离设计中的层间连续状态。沥青面层间出现脱空是一种常见现象[1-3]。局部脱空会加速沥青路面破坏，严重影响路面使用寿命，全面把握面层局部脱空对沥青路面影响，对进一步揭示沥青路面破坏机理有重要意义。

近年来，层间黏结状态变化对沥青路面各层受力影响已经引起学者们的关注[4-5]。现有研究多考虑层间黏结状态整体变化情况，即假设整个路面结构中层间黏结状态完全一致[6-7]。其中对半刚性基层沥青路面层间处于完全连续或完全滑动状态条件下路面各层受力分析涉及较多[6-8]。由于层间处于完全连续和完全滑动只是两种理想状态，许多研究者也开始关注层间处于半连续半滑动状态时的受力响应。但实际路面使用过程中，很少存在整个路面层间黏结状态同时发生变化的情况[9-10]。沥青路面层间黏结状态变化是一个衰变过程，层间黏结失效往往是从一个小范围内开始逐渐变化的，随着损伤积累，层间黏结效果越来越差，层间黏结状态变化区域也越来越大，并逐步演变成路面的早期病害。有学者已研究了沥青路面层间脱空区积水结冰后对面层的影响[9]，但鲜有涉及沥青路面面层局部脱空对路面的影响。沥青路面在面层局部脱空下使用，其受力状态和理想状态间的差异性以及在该状态下工作路面的应力应变响应，尚缺乏细化研究。

笔者采用典型沥青路面结构，假设中下面层局部脱空状况，考虑荷载作用在脱空中部以及边缘两种不同荷载作用位置，采用有限元方法，建立沥青路面层间脱空模型，分析连续状态和脱空状态下路面各层的应力应变响应，并对比中面层局部脱空对路面各层的影响。

1 力学模型建立

笔者利用ANSYS有限元计算程序，建立三维模型，并对路面结构的力学响应进行了计算。

1.1 路面结构及参数

采用典型半刚性基层沥青路面结构形式，研究对象由细粒式沥青混凝土上面层、中粒式沥青混凝土中面层、沥青碎石下面层、水泥稳定碎石基层、二灰土底基层、土基等组成，所选取沥青路面材料参数见表1。

表1 计算模型参数Table 1 Calculation model parameters

1.2 模型尺寸选择和计算假定

采用有限元分析时，无法将模型尺寸取为无穷大，只能在建立模型时尽量将模型尺寸取得大一些；但尺寸过大，则会大大增加计算工作量。因此，应确定合理的计算模型尺寸，使其在保证计算精度同时，又不增加过多计算工作量。为了保证模型尺寸能较好地反映路面结构力学响应，结合前人计算经验[11]，笔者取路面平面方向尺寸为：沿路面纵向长度取4 m，横向宽度取4 m。空间坐标的X轴为路面横向，Y轴为深度方向，Z轴为行车方向。

单个轮胎接地尺寸为0.2 m×0.2 m，而脱空部分不能大于轮胎接底尺寸太多(根据弹性理论圣维南原理，若脱空部分过大，则计算结果将接近于层间全脱空)，综合考虑，笔者选取脱空部分的尺寸为0.8 m×0.8 m。

边界条件施加方式为：土基底面施加所有自由度约束。对沥青路面结构基层、底基层、土基和面层四周的侧面进行边界约束时，其中X轴、Y轴垂直平面上施加X、Y方向的全约束，Z轴垂直平面上施加Z方向全约束。

1.3 荷载参数选取和工况设定

笔者只考虑一个轮胎接触面，所以在0.2 m×0.2 m范围内施加25 kN的荷载。在单个轮胎接地范围内有9个节点，需要将25 kN的力均分到每个节点上，这样每个节点施加的力为2 777.7 N。模型及荷载示意如图1。

图1 模型及荷载示意Fig.1 Model and load diagram

笔者考虑了两种荷载工况：① 竖向荷载作用在脱空中部；② 竖向荷载作用在脱空边缘。

1.4 网络划分与单元选取

为保证计算精度，笔者采用精度较高的六面体单元 solid 65来模拟沥青路面的上面层、中面层下面层和基层；采用四面体单元solid 92来模拟底基层和土基。综合考虑计算效率和计算精确度，六面体单元solid 65采用精度较高的六面体网格进行划分，四面体单元solid 92采用自由网格进行划分。

2 脱空中部连续、脱空状态对比分析

竖向荷载作用在模型的脱空中部，分别计算连续状态和脱空状态(中面层和下面层局部脱空)下的力学指标，进而对比中面层局部脱空状态下对上面层、中面层、下面层的影响。

2.1 对上面层影响

根据连续状态和脱空状态的上面层弯沉值和上面层XY方向剪切应力值如表2。

由表2可知：当荷载作用在中面层局部脱空中部，局部脱空后，上面层弯沉值增大了9.7%；上面层剪切应力增加了14.2%。进一步比较连续状态与脱空状态上面层层底弯拉应力发现：脱空后，上面层层底弯拉应力峰值变化不明显，弯拉应力分布规律也基本相同。

表2 上面层弯沉值及剪切应力最大值Table 2 Deflection value and maximum shear stress valueof upper surface layers

2.2 对中面层影响

对比连续状态和脱空状态中面层的弯沉值和中面层的层底弯拉应力，得表3。

由表3可知：中面层局部脱空后，较连续状态，中面层本身的弯沉值增加了4.5%；值得关注的是：脱空后，中面层的层底弯拉应力有大幅度增加，比连续状态下增大了3.8倍。

通过对比连续状态与脱空状态下中面层XY方向剪切应力发现：脱空后中面层剪切应力数值变化很小，脱空对剪切应力分布有影响，但影响范围和量值均不显著。

表3 中面层弯沉值及层底弯拉应力最大值Table 3 Deflection value of the middle layer and the maximumvalue of the bending tensile stress at the bottom of the layer

2.3 对下面层影响

根据连续状态和脱空状态下的下面层弯沉值和下面层XY方向剪切应力，如表4。

由表4可知：中面层局部脱空后，下面层弯沉值增大了2.5%；下面层剪切应力增加了18.3%。对比下面层的层底弯拉应力发现：下面层的层底弯拉应力最大值却有所减小。

表4 下面层弯沉值及剪切应力最大值Table 4 Deflection value and maximum shear stress valueof lower surface layers

3 脱空中部、边缘对比分析

将竖向荷载加载位置作用在脱空部分中部和边缘，通过两种状态力学指标对比，进而研究哪种状态受力更为不利。

3.1 对上面层影响

根据竖向荷载作用到脱空中部和边缘情况下的上面层弯沉值，层间XY方向剪切应力和上面层的层底弯拉应力，见表5。

表5 上面层弯沉值、剪切应力最大值及层底弯拉应力最大值Table 5 Deflection value and maximum shear stress value of uppersurface layers and maximum tensile stress at the bottom of the layer

由表5可知：在荷载作用位置不同，而大小相同的情况下，作用到脱空中部位置比边缘位置上面层的弯沉值要大13.6%，即在荷载作用到脱空中部有最大弯沉值。通过对比脱空状态下竖向荷载作用到脱空中部和边缘中面层XY方向剪切应力云图，得出作用到脱空边缘时，剪切应力影响范围扩展较多，但最大值还是较脱空中部小。两者均是在轮载范围内影响大，远处则是低剪切区，可见在所建路面模型的尺寸边缘及更远处，车辆荷载效应已经较不明显。

通过数据对比分析，在作用位置不相同，荷载大小相同的情况下，作用到脱空中部位置比边缘位置上面层的剪切应力增大了27.6%。通过对比脱空状态下竖向荷载作用到脱空中部和边缘上面层层底弯拉应力云图分析得到：作用到脱空边缘位置时，两种情况下的层底弯拉应力均分布在轮载范围，较远处均为压应力。通过数据对比分析，在作用位置不相同，荷载大小相同的情况下，作用到脱空中部位置比边缘位置上面层层底弯拉应力增大了39.1%。3项力学指标都有所增加。

3.2 对中面层影响

根据竖向荷载作用在脱空中部和脱空边缘中面层弯沉值，中面层XY方向剪切应力的云图及中面层层底弯拉应力如表6。

表6 中面层弯沉值、剪切应力最大值及层底弯拉应力最大值Table 6 Deflection value and maximum shear stress value of middlesurface layers and maximum tensile stress at the bottom of the layer

由表6可知：荷载作用在脱空中部位置比边缘位置中面层的弯沉值要大13.7%，即在荷载作用到脱空中部有最大弯沉值。

荷载作用在脱空边缘位置比中部位置对剪切应力影响范围要小，且更集中于一侧，而作用在脱空中部位置剪切应力影响范围集中在轮载中心左右两侧；作用到脱空中部位置比边缘位置中面层的剪切应力增大了34.2%。

通过中面层层底弯拉应力对比，得出作用到脱空边缘位置时，对层底弯拉应力影响范围相对变大，但最大值较小。

通过表6对比分析：在作用位置不相同，荷载大小相同的情况下，作用到脱空中部位置比边缘位置中面层层底弯拉应力增大了6.5倍，有大幅度增加，说明作用在中面层层底有较大弯拉应力。

3.3 对下面层影响

根据竖向荷载作用到脱空中部和边缘的下面层弯沉值，下面层XY方向剪切应力及下面层层底弯拉应力如表7。

表7 下面层弯沉值、剪切应力最大值及层底弯拉应力最大值Table 7 Deflection value and maximum shear stress value of lowersurface layers and maximum tensile stress at the bottom of the layer

荷载作用在脱空中部位置比边缘位置下面层的弯沉值要大13.2%。荷载作用在脱空中部时，下面层XY方向剪切应力集中分布在轮载附近，且剪切应力值较大，比荷载作用在脱空边缘位置时的下面层的剪切应力增加了1.1倍。

通过下面层层底弯拉应力对比可知：两种情况下，弯拉应力都集中在轮载范围四周，远处则是压应力；作用到脱空中部位置比作用到脱空边缘位置下面层层底弯拉应力增大了40.3%。

4 结 语

针对沥青路面出现中面层和下面层局部脱空的计算表明：中面层局部脱空后，3个面层弯沉值都有增加，增幅约5%，弯沉值增加不显著；但上面层和下面层剪切应力有20%左右增幅，增长较大；上面层层底弯拉应力增大30%左右，中面层层底拉应力增大了约5倍，下面层层底弯拉应力变化小。在脱空状态下，荷载作用到脱空中部位置对各面层的影响要大于荷载作用到脱空边缘位置。

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Influence of Complete Local Void in Middle and Lower Surface Layerson the Stress of Three-Layer Asphalt Pavement Surface

SONG Chaolin1，NING Jincheng2

(1. Sanmenxia Road Bureau Designing Institute，Sanmenxia 472000，Henan，P. R. China; 2. Henan College of Transportation，Zhengzhou 450005，Henan，P. R. China)

Typical structure of asphalt pavement with 3 layer structure was adopted. Aimed at the situation of complete local void of middle and lower surface layer，the comparison model between full bond and complete local void was established by the finite element method，considering the load acting on two different load positions，that is，the middle and the edge of the void. The deflection，shear stress and bending tensile stress of each layer of asphalt pavement with different contact conditions under vertical load were calculated and studied，and the influence of different load positions on the mechanical response of each layer was compared. The study shows that the influence of complete local void on the surface layer can’t be neglected.

road engineering; asphalt pavement; surface layer; basic layer; local void

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.08

2016-09-22；

2016-12-02 第一作者：宋朝林(1966—)，男，河南陕县人，高级工程师，主要从事道路桥梁设计方面的工作。E-mail：1511694312@qq.com。 通信作者：宁金成(1967—)，男，河南项城人，教授，硕士，主要从事道路桥梁设计方面的研究。E-mail：zznjc@163.com。

U416.21

A

1674-0696(2017)12-043-04

刘韬)