气态水对路面结构力学响应模拟研究

李 键, 罗传熙, 崔浩斌

(1.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司, 广州 510641; 2.长沙理工大学 交通运输工程学院, 长沙 410114)

随着交通行业的迅猛发展,公路建设规模也得到了极大的提高。沥青路面因其行车舒适性好、噪声小等优点成为我国高速公路最常用的面层铺装形式[1-2], 其设计及寿命预测对我国道路事业发展起着至关重要的作用,且沥青路面处于复杂的服役环境中,结构力学响应与环境因素息息相关[3],因此,充分考虑服役环境因素并进行路面结构力学响应计算显得尤为重要。宋福春[4]等利用COMSOL有限元软件,验证了面层内部水反复泵吸现象是导致沥青路面出现水损害的根本原因。周志刚[5]等采用非线性有限元算法,揭示了非线性渗流比线性渗流产生的水损害更为严重。藏振宇[6]通过移动荷载作用下的有限元模型,分析饱和沥青路面水力损伤机制,发现沥青面层深度0.05 m范围内容易出现水力损伤。已有研究多是针对液态水对路面力学的响应展开的,并未考虑水气对路面力学及疲劳寿命的影响,而大量干旱少雨地区仍出现的水损害现象[8],表明气态水对路面结构影响同样巨大,这一影响因素长期未受到重视。且路面结构内部不是单一、均匀分布的水气浓度,实则为非均匀水气浓度场[9-10],引起路面材料模量呈非均匀分布,进而导致计算得到的路面结构响应及疲劳寿命与实际不符。基于此,本文研究非均匀水气浓度场及单一水气浓度作用下的沥青路面结构响应,以应变、应力等指标量化水气浓度场对路面结构力学的影响,进一步通过室内试验验证被水气侵蚀的沥青混合料疲劳寿命下降趋势,为沥青路面材料、结构设计提供参考与补充。

1 模型建立

1.1 材料参数

依托银洲湖高速公路工程项目,路面组合结构如图1所示,采用ABAQUS有限元软件建立模型,模型尺寸为6 m×8 m×3 m,各层层间完全连续,路面模型四周法向约束,底面完全约束。结构各层材料中,面层采用黏弹性材料定义,基层及土基等采用弹性材料定义,相关数据参考潘雁石[11],如表1和表2所示。

图1 路面结构示意图

表1 材料参数定义

表2 沥青混合料黏弹性参数

1.2 荷载及分析步定义

目前沥青路面设计规范将车轮荷载简化为当量圆形均布荷载[12],标准轴载为100 kN,轮胎接触压力P=0.7 MPa,采用双轮组车轴,每一侧轮载用两个直径为0.213 m的当量圆表示。荷载设置为半正弦波型动态荷载,即

(1)

式中:P(t)为荷载随时间变化值;Pmax为均布荷载作用值,即0.7 MPa;T为荷载作用时间。以车速100 km/h为例,荷载作用时间为0.046 s,计算并绘荷载随时间变化的曲线如图2所示。该模型计算动载作用下的黏弹性响应,因此采用黏性分析步。

图2 荷载随时间变化曲线

1.3 预定义场设置

1.3.1 温度场

温度对沥青路面结构响应具有较大影响,当研究水气浓度的影响时,需要控制不同条件下温度场相同。在进行预定义场设置时,调用广州夏季某天环境条件参数,以最不利条件为例,即路面结构整体温度最高时刻作为预定义温度场时刻,进行路面结构响应计算。各层温度极值发生在13:00—19:00 时,此时的温度数据如表3所示。为了分析最不利温度场,采取归一化的方法,将表3中各层底温度值除以温度极值并求和,得到路面结构温度归一化系数。由表3中计算的归一化参数可知,14:00和15:00十分接近。但14:00时路面结构上面层和中面层温度更高,因此选取14:00为最不利温度场时刻。

表3 13:00—19:00不同深度位置处温度

1.3.2 水气浓度场

选取最不利温度场时刻对应的水气浓度场,即14:00水气浓度场作为路面结构实际的非均匀水气浓度场。针对常规方法,研究发现,未经水气养生处理的AC-13C、AC-20C混合料试件内部相对湿度(20 ℃)均在40%左右[13],即将内部水气浓度设为7 g/m3。

1.4 模型运算原理及计算点选取

导入预定义场后,提交模型运算。此时,面层各层单元网格首先读取预定义温度场和水气浓度场,根据所处位置名称在UTRS子程序中选择对应的参数计算位移距离,根据荷载频率计算模量值用于后续模拟。结合荷载和边界条件模拟计算水气影响下的路面结构响应,取值点如图3所示,图中d为车轮直径,取18.9 cm,调取该位置路面结构深度方向上应变、应力值进行分析。

图3 路面结构荷载作用图

2 沥青路面结构响应分析

2.1 路面结构各层底应变分析

2.1.1 水平应变

A点与B点下方各结构层底水平应变峰值对比如图4所示。水气浓度使得面层模量衰减后,造成各结构层的水平应变增大,上面层尤其严重,其水平应变峰值增大了110.68%,且为拉应变,易引发疲劳开裂,同时基层水平应变增大,同样也会加大基层开裂的风险。B点各结构层在受到非均匀水气浓度影响后应变同样增大,但程度小于A点。

图4 水气浓度影响下路面A点(左图)与B点(右图)最大水平应变值对比

2.1.2 竖向应变

A、B作用点在竖向应变规律类似,仅对比作用点A下方各结构层底竖向应变值如图5所示。对比常规方法,考虑实际最不利非均匀水气浓度场的路面结构各层底应变均增大。上面层压应变增加109.57%,中面层拉应变增加28.92%,中面层开裂风险增大。

图5 水气浓度影响下路面不同位置处最大竖向应变值对比

无论是水平应变还是竖向应变,考虑实际非均匀水气浓度场后,都呈现上升趋势,增大了结构层疲劳开裂的风险。

2.2 路面各结构层底应力

2.2.1 水平应力

根据模型计算结果,绘制不同时刻最大水平应力对比值如图6所示。相较于其他面层,A点与B点处路面结构下面层底受较大拉应力。分析其原因为温度沿路面结构方向逐渐降低,导致下面层模量较高,进而承担了较大拉应力。对比分析考虑实际最不利水气浓度场可以发现,路面结构下面层所受水平应力分别下降13.64%与13.78%,其原因为面层结构模量衰减后,可分担的应力变小,转由路面下部结构分担。各基层受到水平应力增加5%左右,加大了基层产生开裂,形成纵向裂缝的可能性增大。

图6 水气浓度影响下路面A点(左图)与B点(右图)处最大水平应力值

2.2.2 竖向应力

对A点处竖向应力进行分析如图7所示。路面结构各层竖向应力由面层向下依次递减。对比可知,考虑最不利非均匀水气浓度场对竖向应力影响不大。

图7 水气浓度影响下路面不同位置处最大竖向应力值

3 疲劳寿命计算

3.1 有限元疲劳寿命计算

3.1.1 预定义水气浓度设置

现行规范中疲劳寿命计算方法将温度限定为20 ℃[12],因此将模型预定义温度设置为20 ℃;针对考虑实际非均匀浓度场的情况,建立路面结构年平均水气浓度场。根据广东地区2022年平均湿度换算得到环境年平均水气浓度。参考2022年中国统计年鉴[14]广东2022年平均气温23.7 ℃、相对湿度75%,计算得空气中水气浓度为12.3 g/mm3。同时,由级配碎石处相对湿度100%、温度20 ℃换算得水气浓度为17.29 g/mm3。设置温度为20 ℃,将水气边界条件循环加载7 d,模拟得到年平均湿度环境下的路面结构非均匀水气浓度场(图8)。针对常规方法,将预定义水气浓度设为7 g/m3。为分析考虑实际非均匀水气浓度场对路面结构疲劳寿命的影响,根据中交公路科学研究所[12]选取ABCD 4个取值点(图9),其中d为车轮直径,取18.9 cm。

图8 年平均湿度环境下路面结构各层水气浓度

图9 计算点位

3.1.2 水平拉应变分析

通过模型计算结果统计路面不同位置处最大水平应变如表4所示。

表4 路面不同位置处最大水平应变

分析计算结果可以发现,20 ℃温度环境下,路面结构上、中面层水平方向处于受压状态,下面层水平方向受拉,最大值出现在两车轮中间位置。考虑实际非均匀水气浓度场使得下面层水平拉应变增大4%左右,意味着疲劳寿命会衰减。

3.1.3 疲劳寿命计算

规范中沥青混合料层疲劳寿命的预估模型计算公式为

(2)

式中:Nf为疲劳开裂寿命(轴次);ka为季节性冻土地区调整系数;VFA为沥青混合料的沥青饱和度(%);kT1为温度调整系数。依据中交公路科学研究所[12]可查得,β为1.65ka,ka为1。

针对考虑实际非均匀水气浓度场和常规方法,根据模型计算结果,统计20 ℃、10 Hz下各层动态模量及面层当量模量、厚度如表5所示。

表5 20 ℃、10 Hz下各层动态模量及面层当量模量、厚度

对比ABCD 4个计算点,将最大层底拉应变及相关值代入可得路面结构的疲劳寿命。上、中面层水平方向为压应变,故此处不考虑其疲劳寿命。将下面层疲劳寿命计算结果列于表6中。

表6 考虑非均匀水气与否的路面结构疲劳寿命

由表6可知,考虑实际非均匀水气浓度场后,下面层疲劳寿命由1.967×108降低为1.726×108,降低12.246%。表明目前以规范为代表的常规方法在计算疲劳寿命时大于路面实际疲劳寿命,高估了路面结构抗疲劳性能,导致设计的路面结构偏于危险。

3.2 室内试验疲劳寿命计算

通过室内试验验证水气对沥青混合料性能的影响,将AC-13沥青混合料放置于50 ℃和99%湿度的环境中进行24 h水气侵蚀如图10所示。将初始状态和水气侵蚀后的AC-13沥青混合料轮碾压实成型后,切制棱柱体小梁,采用重复弯曲试验评价水气侵蚀过程对混合料疲劳性能的影响,在室温下,选择半正弦波形加载模式,试验频率10 Hz,应力比分别设为0.3、0.4、0.5和0.6。试验测试结果如表7所示。

图10 沥青混合料经受水气侵蚀

图11 不同水气侵蚀程度的疲劳试验拟合

表7 不同水气侵蚀程度混合料疲劳试验数据

由图10可知,不同水气侵蚀程度沥青混合料的疲劳寿命对数IgNf和应力比呈现良好的线性关系,根据试验数据进行线性拟合分析,可以求出沥青混合料的疲劳方程。

lgNf=K-n(σ/s)

(3)

式中:Nf为疲劳寿命次数;σ/s为应力比;K为疲劳方程截距;n为疲劳方程的斜率。

不同水气侵蚀程度沥青混合料的拟合方程及相关系数结果如表8所示。

表8 不同水气侵蚀程度的沥青混合料疲劳寿命对数方程

疲劳寿命方程中的截距K可以表征混合料的抗疲劳性能,斜率n可以表征混合料疲劳寿命对应力比的敏感性,由表8可知,随着水气侵蚀程度的加深,沥青混合料的K值减小,n值增大,表明随着水气侵蚀程度的加深,沥青混合料疲劳性能出现下降,疲劳寿命呈现快速衰减的趋势。

4 结论

根据广东省2022年气候文件,基于银洲湖高速公路实体工程,采用有限元数值模拟技术对展开常规水气浓度场与实际非均匀水气浓度场对路面力学响应的差异,基于规范疲劳公式,分析其对疲劳寿命的影响,并结合相关室内试验,进一步验证水气侵蚀后沥青混合料疲劳寿命的变化趋势,主要结论如下。

1)在非均匀水气浓度场的影响下,上面层底部水平拉应变车轮正下方位置增大110.68%,其余层位水平拉应变增大5%左右。表明实际水气浓度场的存在使得上面层更易产生开裂。应力方面,面层水平应力减小约10%,基层、底基层承担的应力增加10%左右,增大了基层病害产生的危险。

2)对比规范中疲劳寿命计算方法,考虑实际非均匀水气浓度场使得面层疲劳寿命降低12.246%,表明常规方法在计算疲劳寿命时大于路面实际的疲劳寿命,室内试验拟合结果同样表明沥青混合料被水气侵蚀后会缩短其疲劳寿命,因此,在道路寿命预估时,需引入实际非均匀水气浓度场提高预估准确性。