静动载作用下复合式基层沥青路面力学特性_李岩.pdf

-112-静动载作用下复合式基层沥青路面力学特性李 岩（保定市交通运输综合行政执法支队第十执法大队，河北 保定 071000）摘要：针对半刚性基层沥青路面经常存在反射裂缝的问题，尝试通过铺设级配碎石层来改善路面的力学性能。利用 ABAQUS 有限元分析软件模拟了复合基层沥青路面在静、动荷载作用下不同接触状态下的力学性能，分析了路面在完全连续接触、部分连续接触和完全光滑接触下的力学响应，研究了接触面摩擦系数对路面力学性能的影响。结果表明，提高层间黏结系数有利于改善沥青路面的力学性能。关键词：静动载荷；沥青路面；级配碎石；摩擦系数中图分类号：U416.217 文献标识码：A Mechanical characteristics of composite base asphalt pavement under static and dynamic loadLI Yan（The 10th Law Enforcement Brigade of Baoding Transportation Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment,Hebei Baoding 071000 China）Abstract:Aiming at the problem of frequent reflection cracks in semi-rigid base asphalt pavement,this paper attempts to improve the mechanical properties of pavement by laying graded crushed stone layer.Using ABAQUS finite element analysis software,the mechanical properties of composite base asphalt pavement under different contact states under static and dynamic loads are simulated,the mechanical responses of pavement under complete continuous contact,partial continuous contact and complete smooth contact are analyzed,and the influence of contact surface friction coefficient on pavement mechanical properties is studied.The results show that increasing the inter-layer bonding coefficient is beneficial to improve the mechanical properties of asphalt pavement.Key words:static and dynamic load;asphalt pavement;graded gravel;friction coefficient引言半刚性基层沥青路面具有稳定性好、扩散应力强、强度刚度大、整体性好等优点，但超载问题以及施工原因等导致基层沥青路面沉陷、车辙、裂缝等日趋严重1。优质的级配碎石层能改善路面的排水条件和减缓尖端应力集中现象，将级配碎石应用于路面上基层时能有效缓解沥青路面裂缝的扩展2。级配碎石层、半刚性基层以及沥青材料的性质差异较大，导致三者的结合并不是理想的连续状态。蔺彪等3研究表明层间接触状态直接影响复合式基层沥青路面的受力性能；杨芙蓉等4研究了不同接触状态下沥青路面基层和面层的受力特性，发现接触条件对于沥青路面的弯拉应力有较大影响；曹明明等5研究了接触面摩擦系数对路面受力特性的影响，结果表明基层与面层间的摩擦系数越大沥青路面力学特性越好。1 有限元模型的建立1.1 模型尺寸及材料参数模型尺寸为 5 m5 m5 m，材料参数见表 1。表 1 有限元模型材料参数材料厚度/mm泊松比弹性模量/MPa内摩擦角/（）黏聚力/kPa路基-0.4040-二灰土2000.25800-水泥粉煤灰碎石200.251 500-级配碎石1000.354004010ATB-25800.251 400-AC-20600.251 200-AC-16500.251 000-1.2 荷载及边界条件模型采用直角坐标系，其中 x、y、z 方向分别为行车方向、路面纵断面法向以及道路深度方向。边界条件采用 x、y 方向无位移，底面完全固定。荷载模型为纵向矩形非均布荷载，荷载参数见表 2。收稿日期：2022-06-13作者简介：李岩（1983），男，河北保定人，工程师。2022 年第 6 期山东交通科技-113-表 2 荷载参数轴载/kN单轴双轮/kPa二联轴/kPa三联轴/kPa1408706804601209508206001008706804602 静载作用结果分析2.1 接触状态的影响接触状态对路面结构力学影响结果见表 3。表 3 力学响应结果设计指标完全连续部分连续完全光滑级配碎石塑性变形/e-54.877 314.261 230.522 2面层最大剪应力/MPa0.172 30.183 10.187 4路基顶面竖向压应变/e-42.307 93.330 03.407 7半刚性基层层底拉应力/MPa0.091 60.123 40.126 9沥青面层层底拉应力/MPa0.100 70.297 80.334 8 沥青面层层底拉应变/e-510.231 320.735 322.442 2路表弯沉/（0.01 mm）40.319 254.004 755.105 6从表 3 可以看出，完全连续和完全平滑的值之间存在很大差异，其中完全平滑的结果总体上更大，部分连续的值接近完全平滑的值。沥青面层底部的应变和应力显著增加，表明接触条件越差，沥青面层上的弯曲拉应力越大，导致路面疲劳开裂的可能性越大。可以尝试在沥青面层和碎石层之间设置黏结层，以减缓面层的疲劳开裂。2.2 面层接触面摩擦系数对路面结构力学影响不同面层接触面摩擦系数条件下路面结构力学指标值见表 4。表 4 面层接触面摩擦系数的影响摩擦系数级配碎石塑性变形/e-5沥青面层最大剪应力/MPa路基顶面竖向压应变/e-4半刚性基层层底拉应力/MPa沥青面层层底拉应变/e-5路表弯沉/（0.01mm）00.135 40.173 42.873 80.109 0 18.552 447.588 40.10.133 50.173 22.859 50.108 4 18.290 447.487 20.20.131 10.173 12.846 10.107 7 18.045 947.368 60.30.129 10.172 92.835 90.107 1 17.810 047.264 00.40.126 80.172 82.822 00.106 5 17.556 847.180 20.50.124 80.172 72.810 90.106 0 17.347 247.093 00.60.122 50.17252.800 20.105 4 17.120 146.991 90.70.120 60.172 52.789 90.104 9 16.927 946.925 60.80.118 10.172 42.779 20.104 4 16.762 0 46.838 40.90.116 10.172 32.769 90.103 9 16.578 646.772 1从表 4 可以看出，路面的力学指标基本呈线性变化，并随着接触面摩擦系数的增加而减小。如果层间黏结条件良好，路面的受力性能也会更好。研究发现，接触面状态的变化对级配碎石层的塑性变形和表层底部的应力应变有很大影响，而表层的最大剪应力、路基顶部的垂直压缩应变，半刚性基层底部的拉应力和路面的挠度相对较小。级配碎石的塑性变形和最大峰值位置发生了很大变化。行车荷载能量不能及时传递到路基和基层，容易造成面层底部疲劳损伤。2.3 基层接触面摩擦系数对路面结构力学影响基层接触面摩擦系数对路面结构力学的影响见表 5。表 5 基层接触摩擦系数的影响摩擦系数级配碎石塑性变形/e-5沥青面层最大剪应力/MPa路基顶面竖向压应变/e-4半刚性基层层底拉应力/MPa沥青面层层底拉应变/e-5路表弯沉/（0.01mm）073.476 8 0.196 83.255 00.118 1 24.163 855.991 30.166.917 9 0.195 33.227 80.117 0 23.543 355.502 90.262.229 2 0.194 03.203 20.115 9 22.923 055.116 30.357.538 1 0.192 73.177 20.115 1 22.395 054.668 60.453.781 6 0.191 53.155 20.114 2 21.959 754.383 70.550.258 4 0.190 53.134 40.113 4 21.493 854.058 10.646.734 0 0.189 73.117 50.112 6 21.089 153.773 30.743.911 9 0.188 93.100 60.112 0 20.778 253.508 70.841.086 4 0.188 03.083 70.111 4 20.342 753.264 50.938.732 2 0.187 13.068 10.110 8 20.030 753.000 0从表 5 可以看出，摩擦系数增加后，级配碎石塑性变形、沥青面层最大剪应力、路基顶面竖向压应变等都降低，增加黏结系数可以降低表面层的疲劳强度。3 动载作用结果分析汽车作用在路面的荷载效果更接近于动荷载，采用矩形非均布半正弦动荷载，动力学参数见表 6，其中荷载作用时间为 0.1 s。3.1 接触状态对路标弯沉和层底拉应变影响接触状态对路标弯沉和层底拉应变影响变化趋势见图 1。三种接触状态下的弯沉值都是随着时间先增加后降低，在 0.05 s 达到峰值。动载作用下，三种接触状态对路标弯沉和层底拉应变有着很大影响。其中，三种接触状态下的最大路标弯沉分别为 0.586 6 mm、0.559 7 mm 和 0.449 3 mm。李 岩：静动载作用下复合式基层沥青路面力学特性-114-图 1 接触状态对路标弯沉和层底拉应变影响（a）路标弯沉（b）沥青面层层底拉应变表 6 动力分析材料参数材料弹性模量/MPa 泊松比 厚度/mm密度/（kg m-3）阻尼AC-161 0000.25502 3000.9AC-201 2000.25602 4000.9ATB-251 4000.25802 5000.9级配碎石4000.351002 3000.4水泥粉煤灰碎石1 5000.25202 3000.9二灰土8000.252002 1000.9路基400.4-1 8000.43.2 面层接触面摩擦系数对路面结构力学影响面层接触面摩擦系数对路面结构力学影响见图2。可以看出，加载和卸载过程中改变摩擦系数对表面的最大剪应力几乎没有影响。为了保证路面的完整性，增加层间黏结系数是非常必要的。3.3 基层接触面摩擦系数对路面结构力学影响基层接触面摩擦系数对塑性变形和层底拉应变的影响见图3。光滑状态下的弯沉值增幅为42.87%，应变值增幅分别为 120%和 241%。应力在面层底部集中，进而导致路面使用寿命降低。4 结语（1）随着接触面摩擦系数的增加，路面结构的性能不断提高；（2）动荷载和静荷载作用下的路面力学指标结果差异不大，沥青基层与级配碎石层的接触状态对力学指标的影响最大；（3）接触面状态越好，驱动荷载和能量可以及时传递到路基和基层。图 2 面层接触面摩擦系