沥青混凝土路面面层与基层间破坏数值分析

王 婧

(天津市城市道路设施巡查中心，天津 300000)

1 概述

市政公路是国民经济建设的基础设施，是经济发展到一定阶段的必然产物，也是一个国家现代化水平的重要标志之一。而在我国公路的路面结构当中，沥青路面占有相当大的比重，占到了90%之多[1]。目前沥青路面的各种常见破损类型疲劳开裂、反射裂缝、低温开裂等，通常修补的重点是加厚沥青面层或增加新铺面层以加强路面对拉应力或拉应变的抵抗能力，或者在路基、路面材料及其结构组成方面进行优化和改进，但实际上如果忽略层间的粘结、防水及耐久性等问题，无论面层和基层的强度如何提高，沥青路面破坏状况仍得不到解决。沥青路面各结构层之间层间处治工艺的正确与否和质量水平高低对沥青路面的性能的影响至关重要。因此，对沥青混凝土面层进行数值模拟，对理解沥青混凝土面层的力学行为、损伤机理有显著的意义，并可为设计施工提供依据。

因此，本文基于固体力学与弹性力学理论，采用有限元方法，对沥青混凝土面层的力学行为进行数值模拟，旨在分析面层混凝土的损伤、破损机理，以期对市政道路设计与建设提供一定的参考。

2 沥青混凝土路面数值模型

以文献[1]中给出的路面结构形式，本文取面层、基层、底层的沥青混凝土厚度分别为4 cm，6 cm，20 cm，各层间的结合层厚度取1 mm。为加快有限元求解速度，对数值模型进行一定的简化。将面层沥青混凝土视为一种各相同性的粘弹性材料，将基层和底层沥青混凝土视为线弹性材料，将面层与基层之间的结合层视为一种各相异性的粘弹性材料。建立的ABAQUS模型如图1所示。各层材料的本构关系如表1所示。

表1 材料本构关系表

层间的粘结强度对合理模拟面层沥青混凝土的力学行为至关重要。本文采用复合材料细观结构的周期性假设提出代表性体积单元法对层间力学行为进行模拟。复合材料细观结构的周期性假设认为，虽然材料内部各组分具有随机性，但他们一般具有统计上的周期重复性，因此，整个非均质复合材料可以看成是代表性体积单元周期性排列而成[2]。假设代表性体积单元内各组分材料分别具有弹塑性性质，服从各自的弹塑性本构关系[3]，在平面应力—应变条件下。

(1)

根据三种特定的位移边界条件，可得：

(2)

根据这三种特殊情况，即可求得代表性体积单元等效弹性模量与剪切模量：

(3)

(4)

(5)

(6)

在上述含有代表性体积单元的模型中，仅需调整代表性体积单元的本构关系即可模拟沥青混凝土路面的层间状态。在本研究中，仅对完全粘结和50%脱粘进行了模拟。此外，为了模拟市政路面的受力行为，本文共采用四种荷载工况，如表2所示。

表2 荷载工况表

3 层间粘结力对沥青混凝土路面面层损伤、破损机理影响因素分析

图2为沥青混凝土路面面层与基层完全粘结时面层沥青混凝土的受力云图。由图2可以看出，当沥青混凝土路面仅受垂直应力时，层间应变仅为51×10-6，此时的层间剪应力为1.595 MPa，而同时受到垂直应力与水平应力时，层间应变增加为85×10-6，增加了66.7%，此时的层间剪应力为2.08 MPa，增加了30.4%。当沥青混凝土路面升温/降温20 ℃时，层间应变均为48×10-6，层间剪应力均为0.2 MPa，但层间延垂直方向产生了1.661 MPa(升温)/2.166 MPa(降温)的拉应力，同时在升温时在层间产生了0.987 MPa的压应力，在降温时产生了0.936 MPa的拉应力，由于这种力学效应伴随着面层较大的垂直位移，因此会使得沥青混凝土层间更易脱粘。值得注意的是，在升温过程中数值模拟结果显示沥青混凝土面内产生了较大的压应力，并向上位移，这可能是沥青混凝土路面隆起的主要原因；而在降温过程中数值模拟结果显示沥青混凝土面内产生了较大的拉应力，这可能是沥青混凝土路面产生裂纹、龟裂的主要原因。

图3为部分粘结(50%)时面层沥青混凝土的受力云图。由图3可以看出，与完全粘结时相比，当部分粘结(50%)沥青混凝土路面仅受垂直应力时，层间应变由51×10-6提高至为53×10-6，层间应力由1.595 MPa降低至0.864 MPa，降低了45.8%。而同时受到垂直应力与水平应力时，部分粘结(50%)沥青混凝土层间应变增加为94×10-6，与完全粘结时相比增加了10%，层间应力由2.08 MPa降低至1.154 MPa，降低了44.5%。与完全粘结时相比，部分粘结(50%)在温度荷载的作用下对剪切的影响不大，但垂直方向的拉应力分别由1.661 MPa(升温)/2.166 MPa(降温)降低至1.027 MPa/1.406 MPa，但面层的垂直位移却有明显增加。

由模拟结果可以看出，在较低的粘结强度(即较弱的层间粘结)下，面层与基层之间的结合层出现较大的层间剪切应变，这更易造成层间脱粘，从而进一步增加了剪切应变，加速沥青混凝土面层脱粘。同时，在较低的粘结强度条件下，剪切应力进一步减小，这使剪切应力无法有效地向下传递，会使面层沥青混凝土承受更大的力，进而导致面层出现隆起、开裂等病害。此外，温度应力对于层间剪应力影响不大，但是会延垂直方向产生较大的拉应力，且会在层内产生面内拉/压应力，在这两种效应的耦合作用下，更易造成层间脱粘。

4 结语

本文基于固体力学与弹性力学理论，采用有限元方法，对沥青混凝土面层的力学行为进行数值模拟，得到如下结论:1)沥青混凝土路面层间受车辆荷载的影响，尤其是弯曲、爬坡线路上会产生较大的剪应力，在这些区域要严格把控沥青浇筑质量，使层间有更好的粘结力；2)沥青混凝土路面同时也受温度荷载的影响，这种影响比车辆荷载更加显著，这主要是因为路面受热/受冷时会产生面外力，使得层间加速剥离，且这种效应会随着路面面积的积累而积累，从而会在路面浇筑的缺陷处产生病害，因此，在施工时应严格把控沥青浇筑工艺，使其在一定范围内相对均匀，共同受力抵抗温度荷载；3)层间缺陷的出现一方面使得面层和基层间产生较大的相对位移，这会使层间进一步脱空，另一方面层间缺陷仅能传递较小的剪切应力，因此在荷载相同时，面层内会承受更大应力，这会增加面层的负荷，加速面层的损坏，因此，在沥青混凝土使用过程中，层间剥离的早期检测与维修至关重要。