沥青路面坑槽快速修补力学特性研究

赵锋军, 高明月, 唐宇航

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410004)

0 引言

沥青路面凭借整体强度高、养护维修方便等优点被广泛应用。但受交通量的剧增以及复杂环境的影响，沥青路面会产生一系列的路面病害，其中危害性较大的是坑槽。坑槽分布分散，会严重降低沥青路面的服务性能和行车舒适性,影响车辆的行驶安全，减少沥青路面的寿命，从而带来一定的经济损失，所以及时修补坑槽很必要[1]。高菲等[2]通过节点追踪的方法确定最不利受力位置，研究修补面积、基层修补模量和层间接触状态对路面结构的影响，确定坑槽修补的范围。田耀刚等[3]主要探究了材料模量对坑槽修补的结构影响。张倩等[4]考虑坑槽接缝界面应力集中问题，分析其影响因素,对修补尺寸提出建议。李炜光等[5-6]针对坑槽修补后会出现二次破坏等问题，对修补界面力学行为进行了分析。温志广等[7-9]考虑不同的接触状态下坑槽补缝处的力学行为，并在不同的接触状态下研究修补厚度和修补模量对界面的影响。这些研究内容大都基于目前坑槽修补方式，但其修补方法效果不理想，并且不能及时开放交通。基于此，本文采用修补材料预制的方式对坑槽进行养护，通过建立有限元模型，以半刚性基层沥青路面为研究对象，研究修补块材料、尺寸、厚度对坑槽修补结构的力学影响，为沥青路面坑槽快速修补提供理论支持。

1 沥青路面坑槽修补有限元模型

1.1 有限元模型建立

本文的模型建立基于坑槽快速修补工艺，具体方式是：先将沥青路面坑槽进行切割凿除；再对底部采用环氧砂浆找平、放置修补块；最后对接缝位置进行处理，从而达到快速开放交通的目的。修补材料根据沥青混合料试件制作方法碾压成型[10]。

路面结构层选取连续体系半刚性基层沥青路面结构，如图1所示。沥青混合料是非线性粘-弹-塑性材料，由于车轮在路面作用的时间较短，发生的弹塑性变形可忽略不计，所以采用弹性层状理论体系[11]。假定各层之间完全连续，各层为均质、各向同性的线弹性材料 ，水平方向和路基底面全约束。

图1 有限元模型图

1.2 参数选取

1)材料和结构参数：假定路面材料是各向同性的线弹性材料，主要用弹性模量E和泊松比μ表征其力学性能，沥青路面结构形式与材料参数如表1所示。

2)模型尺寸及荷载布设:路面结构设计时通常假定各层为无限大的弹性体，模型尺寸过大则影响计算速度,过小则不能很好的模拟实际路面受力情况。本文采用标准轴载BZZ-100，轮胎接地压强为0.7MPa。为方便计算，将轮荷载简化为20cm×18cm的矩形均布荷载，双轮中心距为30cm，荷载作用于坑槽中心位置。选取坑槽修补的尺寸为1.5m×1m×0.7m，取道路中间位置，修补后周围会存在接缝，假定接缝宽度为2mm。根据圣维南原理，离载荷较远处对应力分布只有极小影响[12-13]，同时对比路面建模经验的模型尺寸，确定该模型水平方向的X轴(道路横向)与Y轴(行车方向)尺寸分别为5.54m和5.04m，Z轴尺寸选择实际的路面结构，深度为4.845m。

3)单元类型：采用6面体8节点SOLID45单元进行网格划分，划分完成后根据轮载尺寸在表面荷载节点上施加均布荷载并进行求解。

4)层间接触：建模过程中路面结构的各层之间接触情况为完全连续，由于坑槽修补过程中壁面接缝位置采用具有良好性能的灌缝材料进行处理，所以本文假定其接触情况完全连续。

表1 路面结构参数结构层材料厚度/cm模量/MPa泊松比上面层SMA-134.01 2000.35中面层AC-20I6.01 1000.35下面层AC-25I8.01 1000.35下封层ES-3乳化沥青稀浆0.51 0000.30上基层水泥稳定级配碎石31.01 3000.25下基层4%水泥稳定石粉渣20.01 2000.25垫层碎石垫层15.02000.25路基土基400.0400.40

2 数据处理与分析

根据坑槽形成原因和修补机理[14-15]，在移动荷载作用下修补材料会出现压转变。在车辆驶离或驶近坑槽时，接缝处会受到拉应力和剪应力的作用，易出现破损，底缝自身受到剪应力作用可能会与旧的沥青路面失去粘结。

2.1 材料模量对修补结构的影响

本文选取5种高性能材料作为修补材料，其模量的取值分别是1400、2000、5000、10000、20000MPa，分析研究不同材料对坑槽修补结构的影响。图2为修补材料模量与修补块底部拉应力和剪应力关系图。

图2 材料模量对修补块底部拉应力和剪应力影响

由图2可知，随着弹性模量增加，横向压应力和纵向压应力均增大；对于剪应力，τyz和τxz随模量增大逐渐减小，并且两者差距越来越小。当E<5000MPa时，道路横向的压应力小于行车方向压应力；E>5000MPa时，道路横向的压应力大于纵向压应力。

根据接缝处拉应力分布情况，选取横缝底缘研究材料模量对接缝处拉应力的影响，其结果如图3、图4所示。接缝处分别选取横缝和纵缝不同深度的水平方向剪应力和竖直方向剪应力进行分析，如表2所示。

图3 材料模量对横缝底缘拉应力影响(z=-6 cm)

图4 材料模量对横缝底缘中部和右侧拉应力影响(z=-6 cm)

由图3可知，底缘横缝承受压应力，且随材料模量的增大而逐渐增大，底缘横缝两侧的压应力急剧增大。由图4可知，底缘横缝中部的压应力随材料模量的增大呈递增趋势。当E≤10000MPa，底部横缝边缘的压应力随模量的增大而增大，变化较为明显；当E从10000MPa变化至20000MPa时，底部横缝边缘压应力增大幅度明显减小。

由表2可知: ① 当E≤5000MPa时，τxy随深度减小；E>5000MPa时，横缝τxy等于纵缝的,且随模量的增大而增大，但随着深度的增加呈现先减小后增加的趋势;当材料模量为5000MPa时，沿深度方向的中部和底部的纵缝τxy等于横缝，所以5000MPa时纵缝处的τxy呈现先增大后减小的趋势。② 横缝处的τyz和纵缝处的τxz随模量增加逐渐增加，沿深度方向也呈现增加趋势；横缝处的τyz普遍大于纵缝处τxz，最大值位于底缘。在此取横缝剪应力进行分析，结果分别见图5～7。

表2 不同材料模量时接缝处的剪应力MPa应力材料模量1 4002 0005 00010 00020 000z=0 m0.010 77 0.010 77 0.008 63 0.018 05 0.030 92 横缝z=-0.03 m0.008 69 0.008 17 0.006 98 0.017 57 0.027 23z=-0.06 m0.006 55 0.005 12 0.006 79 0.018 59 0.032 04τxyz=0 m0.009 11 0.007 78 0.005 45 0.018 05 0.030 92纵缝z=-0.03 m0.007 57 0.006 11 0.006 98 0.017 57 0.027 23 z=-0.06 m0.006 12 0.004 03 0.006 79 0.018 59 0.032 04z=0 m0.000 69 0.001 36 0.003 35 0.005 39 0.008 92横缝z=-0.03 m0.003 31 0.004 87 0.008 25 0.008 84 0.011 39z=-0.06 m0.006 84 0.010 85 0.023 22 0.032 54 0.040 35τyz/τxzz=0 m0.000 55 0.001 00 0.002 55 0.005 31 0.008 82 纵缝z=-0.03 m0.002 71 0.003 82 0.006 70 0.008 39 0.011 27z=-0.06 m0.005 35 0.008 00 0.017 00 0.024 68 0.032 41

由图5、图6可知： ① 坑槽修补后水平剪应力沿横向接缝长度呈对称分布，在接缝边缘处τxy最大。② 随着修补块材料模量的增大，横向底缘接缝水平剪应力呈先减小后增大的趋势，大体是从修补块模量为5000MPa时开始增加。③ 修补块底部横向接缝处竖向剪应力随着材料模量的增大逐渐增大，横向接缝边缘竖向应力急剧增大。由图7可知，横缝中部的增长幅度大于横缝边缘，随着修补块材料模量的增大，增长速率逐渐减小。

图5 材料模量对横缝底缘水平方向剪应力影响(z=-6 cm)

图6 材料模量对横缝底缘竖直方向剪应力影响(z=-6 cm)

图7 材料模量对横缝底缘中部和边缘竖直方向剪应力影响(z=-6 cm)

2.3 修补厚度对修补结构的影响

针对浅坑槽(即坑槽深度≤10cm)，选择了3、5、7、10cm这4种深度进行分析，其中每种深度包括1cm的环氧砂浆找平层，选择的研究对象为修补块底部和修补块与旧路面接缝处，研究结果见表3和图8～10。

表3 不同厚度时修补块的底部应力MPa(2+1)cm(4+1)cm(6+1)cm(9+1)cmSX-0.019 94-0.018 38-0.017 35-0.016 56SY-0.027 55-0.025 38-0.023 41-0.021 60YZ0.143 060.165 330.159 420.139 09XZ0.146 490.163 280.154 720.133 24

通过表3数据可以看出： ① 底部均为压应力，随着厚度的增加，压应力逐渐减小。② 同一厚度2个方向的剪应力差值在5%以内，并且随着厚度的增加呈现先增大后减小的趋势，在修补块厚度为4 cm时，修补块底部剪应力取得最大值。

图8 修补块厚度对横向底缘接缝拉应力影响

图9 修补块厚度对横向底缘接缝水平方向剪应力影响

图10 修补块厚度对横缝底缘竖直方向剪应力影响

从图8、图9和图10可以看出，修补块横向底缘接缝都承受压应力，中部压应力最大，两侧压应力最小,随着厚度的增加，两侧压应力逐渐减小；修补块横向底缘中部附近水平剪应力无明显变化，两侧水平剪应力随厚度增加稍有减小;修补块底缘横向接缝竖向剪应力随修补块厚度的增加而逐渐增大，在中部取得最大值，但两端竖向剪应力减小明显。

2.4 修补尺寸对修补结构的影响

本文选取长×宽为1m×1m、1m×1.5m、1.5m×1m、1m×2m、2m×1m的修补块进行试验，为便于区分，采用长宽比表示。研究结果见图11～14。

图11 长宽比对修补块底部拉应力影响(z=-6 cm)

图12 长宽比对修补块底部剪应力影响(z=-6 cm)

图13 长宽比对底缘接缝处拉应力影响(z=-6 cm)

图14 长宽比对接缝处剪应力影响(z=-6 cm)

由图 11和图12可以看出，长宽比≤1时，修补块底部的拉应力SY>SX；长宽比>1时，修补块底部的拉应力SX>SY，拉应力随长宽比的增大呈现先减小后增大的趋势。修补块底部τyz>τxz，τyz随长宽比的增大无明显变化。

图13和图14表明：横缝和纵缝处的SX以及横缝和纵缝处的SY都几乎重合，这是由于拉应力的最大值一般出现在板角处。横向拉应力和纵向拉应力变化与修补块底部拉应力变化相似。横缝和纵缝的水平方向剪应力τxy随长宽比的增大先减小后增大；对于竖向剪应力τyz和τxz，纵缝处的τxz随着长宽比的增大逐渐减小，横缝处τyz随长宽比的增大呈现出先增大后减小的趋势。对于接缝，竖向剪应力的变化幅度大于水平方向剪应力。

3 结论

1) 修补块的材料模量对坑槽的修补结构均有明显的影响，随着修补块弹性模量的增大，修补块底部和接缝位置主要受压应力作用，横缝处的剪应力作用明显增强；修补厚度的增大使修补块底部和横缝底缘的拉应力增大，横缝处竖直方向剪应力也增大，长宽比的变化会引起修补结构的拉应力和剪应力最大值位置发生变化。

2)根据理论计算结果，在坑槽修补设计时应选择合适的修补材料，确定最佳的修补厚度，随长宽比的不同调整施工指标，以降低坑槽病害复发的可能性，达到快速高效的养护目的。