修補尺寸瀝青路面坑槽補縫力學(xué)研究

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摘要：本文采用Goodman零厚度摩擦接觸單元模型，計算了不同修補尺寸條件下各補縫界面最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，探討了各補縫界面力學(xué)指標隨摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：道路工程；修補尺寸；摩擦系數(shù)；坑槽修補；Goodman模型

一、引言

在不同氣候環(huán)境條件下，路面承載能力受到交通量劇增、超載現(xiàn)象嚴重等外界因素的影響，瀝青路面坑槽修補材料及界面會出現(xiàn)高溫抗剪切、低溫開裂及耐久性不足等問題。本文采用Goodman無厚度接觸面單元理論模型模擬坑槽修補現(xiàn)場實際工況，通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件計算坑槽補縫界面處最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布情況，分析不同界面摩擦系數(shù)下各力學(xué)指標演變規(guī)律和差異，為坑槽修補措施制定、界面粘結(jié)材料設(shè)計與研發(fā)提供借鑒和依據(jù)。

二、有限元模型建立

（一）模型構(gòu)建各路面結(jié)構(gòu)層及其材料參數(shù)取值參照西北地區(qū)某一級公路建設(shè)標準，主要由瀝青混凝土面層（包括坑槽修補層，本模型僅研究坑槽面層修補）、水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層、土基部分組成。路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計參數(shù)見表1。

（二）計算參數(shù)選取根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范要求，標準軸載為BZZ-100，輪胎接地壓強采用0.7MPa，雙輪中心距為31.9cm，水平荷載取0.35MPa?？硬垩a縫界面接觸狀態(tài)采用完全連續(xù)和半接觸半分離兩種狀態(tài)，其中完全接觸狀態(tài)表示無坑槽時的連續(xù)介質(zhì)，采用Cont表示；半接觸半分離狀態(tài)通過修補塊與原路面之間摩擦系數(shù)μ定義，μ的取值分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，其余位置處面層與基層、基層與底基層、底基層與土基之間的接觸狀態(tài)定義為完全連續(xù)。為保證計算精度，提高計算效率，試算確定模型整體規(guī)格為4m×4m×4.5m，采用線性減縮積分六面體單元C3D8R。修補層厚度取值與原路面層相同，均為9cm，根據(jù)實際修補塊大小選擇三種修補面積（長×寬）為100cm×200cm、100cm×100cm、200cm×100cm，即長寬比δ分別為0.5、1.0和2.0三種工況下的補縫界面處力學(xué)性能變化規(guī)律。

三、結(jié)果與分析

由于修補塊與原路面接觸面積相對較小，當(dāng)行車荷載長期作用于修補結(jié)構(gòu)時，縱向接縫和橫向接縫界面因抗剪不足和受拉超過界面粘結(jié)料抗拉閾值而出現(xiàn)剪切脫粘現(xiàn)象，在雨雪水不斷滲入的情況下，逐漸由微觀裂縫演變?yōu)楹暧^龜裂、坑槽等路面常見病害。經(jīng)過試算，確定縱縫界面提取拉應(yīng)力值最大，輪載內(nèi)邊緣處的補縫界面處存在最大剪應(yīng)力值。因此，本次應(yīng)力值按上述出現(xiàn)最大值位置提取。

（一）修補尺寸對補縫界面最大拉應(yīng)力的影響將上述三種工況結(jié)果整理匯總后，得到不同修補尺寸下最大拉應(yīng)力隨補縫邊界摩擦系數(shù)的變化規(guī)律，如圖1所示。圖1計算結(jié)果表明：1.不同接觸狀態(tài)時，縱向補縫處最大拉應(yīng)力變化顯著，即摩擦系數(shù)為μ=1.0時，界面最大拉應(yīng)力是完全連續(xù)狀態(tài)時的2～9倍。究其原因，連續(xù)接觸狀態(tài)條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)層不存在坑槽病害，基體混合料之間完全連續(xù)、均勻分布，由此荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力處于連續(xù)傳遞、分散狀態(tài)，理論上不存在應(yīng)力集中和傳遞阻斷現(xiàn)象，因此具有較大的受荷能力與較強的傳遞、分散荷載能力；而半結(jié)合狀態(tài)下，路面結(jié)構(gòu)層與坑槽補塊之間僅由粘層油連接，存在修補界面處于不完全連續(xù)狀態(tài)，補縫界面之間的應(yīng)力傳遞和分散主要通過側(cè)壁集料嵌擠效應(yīng)和粘結(jié)作用完成，因此其荷載傳遞不連續(xù)，分散能力較差，存在應(yīng)力損失現(xiàn)象。2.隨著瀝青路面坑槽補縫界面粘結(jié)狀態(tài)越來越差，不同修補尺寸下的最大拉應(yīng)力呈非線性增大趨勢，完全脫粘狀態(tài)下的最大值接近0.4MPa，而縱縫底部，隨著摩擦系數(shù)的逐漸減小由壓應(yīng)力過渡變化為拉應(yīng)力，當(dāng)μ=0.5左右時，存在中性點，即處于無應(yīng)力狀態(tài)；摩擦接觸模型下，縱縫最大拉應(yīng)力的修補尺寸效應(yīng)明顯，補縫頂部最大拉應(yīng)力隨長寬比的增大先減小后增大，而底部最大拉應(yīng)力則隨長寬比的增大先增大后減小。

（二）修補尺寸對補縫界面最大剪應(yīng)力的影響不同修補尺寸下，最大剪應(yīng)力變化規(guī)律如圖2所示。1.連續(xù)接觸模型下，不同修補尺寸的修補塊表面和底面最大剪應(yīng)力均不超過0.14MPa，且與修補塊底面最大剪應(yīng)力相比，其值在表面處大于2倍，由此可見，在水平荷載的情況下，應(yīng)考慮修補結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力最不利的位置上移至路表，補縫頂部密封處應(yīng)以防滲水、開裂等病害為主要處置方向來制定防治方案。2.修補尺寸效應(yīng)對坑槽補縫界面剪應(yīng)力影響較大，當(dāng)修補尺寸為100cm×100cm×9cm時，在修補塊處于完全不連續(xù)接觸狀態(tài)下，其表面出現(xiàn)最大剪應(yīng)力峰值0.16MPa，因此，在實際工程中應(yīng)根據(jù)坑槽破壞形狀，盡量將修補塊切割為矩形，避免正方形補縫界面形成較大的剪應(yīng)力，在行車荷載作用下坑槽補縫界面發(fā)生二次剪切破壞。

四、結(jié)語

與連續(xù)接觸模型具有較強的承載、傳遞和分散荷載的能力相比，摩擦接觸模型的荷載傳遞特征表現(xiàn)為不連續(xù)，分散能力較差。因此，在進行坑槽補縫界面力學(xué)分析時，采用半結(jié)合狀態(tài)的路面力學(xué)計算方法更為合理。在不同修補尺寸的條件下，最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均出現(xiàn)在縱縫頂部和輪載內(nèi)邊緣表面處。當(dāng)修補塊處于完全脫粘狀態(tài)時，修補尺寸為100cm×100cm×9cm的瀝青路面坑槽補塊表面出現(xiàn)最大剪應(yīng)力峰值0.16MPa；當(dāng)修補尺寸一定時，補縫界面最大拉應(yīng)力隨摩擦系數(shù)的逐漸減小呈非線性增加趨勢；當(dāng)μ=0.5左右時，縱縫底部存在最大拉應(yīng)力變化中性點。

作者：奚鶴 單位：新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院