重荷载下局部粘结失效对沥青路面弯沉值的影响

杜 铭

(重庆两江交通规划勘察设计研究有限公司，重庆 401147)

1 概述

在以往，专家学者对重载作用下沥青路面的研究重点要么放在结构设计和结构的稳定性上，将沥青路面各层看成接触连续的层状体，要么主要考虑层间接触状态的整体变化，即假设整个沥青路面的结构层之间的粘结状态完全一致。鲜有对沥青路面的层间局部粘结状态的相关研究［1，2］。但是根据现场钻心和后续道路的使用调查结果表明:沥青路面实际层间接触状态往往偏离于层间完全接触，但也不是各层之间的接触状态同时发生变化。沥青路面层间破坏往往是一个衰变的过程，都是从一小块区域开始然后逐渐扩展，最终导致路面发生早期破坏［3］。因此研究重载作用下基面层的局部脱空对揭示沥青路面早期破坏具有重要意义。

2 基层、面层局部层间接触状态在ABAQUS中的实现

2.1 有限元模型参数

本文采用典型的半刚性基层沥青路面结构形式，建立有限元模型，路面结构参数如表1所示，为了方便建立模型加载区域采用矩形。

表1 路面结构参数

通过初步计算发现模型尺寸只要大于3倍的双轮加载的间距即可满足精度要求，因此综合考虑计算时间和结果精度，初步选择6 m×6 m×6 m模型尺寸。

根据沥青路面的受力特点，土基底面完全固定，道路横向的两面约束道路横向的位移，行车方向上的两面约束行车方向上的位移。

本文在分析中将基层和面层接触面之间定义为能够传递接触压力且大小不受限制，当接触压力变为负值或0时，两个接触面发生分离，并且相应结点上的约束会失效。

2.2 工况分析

局部粘结失效区域的大小对路面力学响应指标的影响较大，为了研究失效区域的大小对弯沉值的影响，本文在基层顶以荷载作用的中心为重心以平行和垂直于行车方向的线段做正方形形状的粘结失效区，正方形的边长分别取0.1 m，0.2 m，0.4 m，0.6 m，然后分别取轴载为 100 kN，200 kN，300 kN对路面结构加载。为了研究半失效状态(摩擦系数)对弯沉值的影响，本文取局部粘结区正方形边长为 0.6 m，摩擦系数分别取 0.1，0.5，0.8，1.0，1.5;在标准轴载作用下观察其弯沉值的变化，并与完全粘结和完全失效进行对比。

3 对路面弯沉值的影响

在200 kN荷载作用下，弯沉值在道路横向上的分布规律如图1所示。

图1 粘结失效区域大小对弯沉的影响图

由图1可知，在200 kN重载的作用下，由于局部粘结失效区域的存在使得弯沉在两车轮荷载作用的中心位置的取值存在差值，并且在有粘结失效区域的一侧取得最大值。

图2表示在轴载为200 kN时，弯沉最大值随粘结失效区域的大小的变化图。

由图2可知，当粘结失效区域较小即小于20 cm×20 cm时，对弯沉的影响较小，当粘结失效区域较大时，对弯沉的影响较大，60 cm×60 cm时的弯沉值比完全粘结时的弯沉值大0.052 mm，因此在局部粘结失效区域存在的一侧对路面结构的承载力要求较高，另外，由于差值的存在使得两车轮附近产生不同的拉应力，在荷载长期反复作用下沥青路面容易产生疲劳开裂、坑槽、沉陷等病害。

图3表示固定轴重为100 kN粘结失效区域为60 cm×60 cm时，弯沉随粘结失效区域间摩擦系数(粘结状态)的变化。

由图3可知，随着摩擦系数的增大，弯沉逐渐减小，但是整体而言减小的效果不明显，因此，摩擦系数对弯沉的影响可以忽略不计。

图2 粘结失效区域大小对弯沉的影响图

图3 弯沉最大值随摩擦系数的变化图

4 结语

本文以弹性本构表示沥青混合料，采用有限元软件ABAQUS对不同轴载作用下的沥青路面弯沉值进行评价，主要结论有以下两点:

1)粘结失效区域使得该侧的弯沉值有所增长，当粘结失效区域较大时，影响较为明显。

2)摩擦系数及层间接触状态对弯沉的影响很小，可以忽略不计。