层间接触状态对沥青路面结构的力学响应分析(2)

2.2 不同接触状态数值计算

2.2.1 不同接触状态最大剪应力数值计算

使得沥青路面结构层产生病害的原因有很多，但剪应力在其中发挥着不可忽视的作用。在摩擦系数μ=0.5的连续模型和接触模型中，沿垂直结构层的最大剪应力出现在层底。从上到下，连续模型的最大剪应力低于接触模型的最大剪应力，且沿截面的变化趋势更加缓和。计算结果对比分析如图1，2所示。

表1 国内知名高速公路材料参数结构层材料厚度/cm模量/MPa密度/（kg·m-3）泊松比阻尼上层面AC-13 4 1 400 2 400 0.35 0.9中层面AC-20 6 1 200 2 400 0.35 0.9下层面AC-25 8 1 000 2 400 0.35 0.9水稳碎石 20 1 500 2 300 0.20 0.8水稳砂砾 20 500 2 300 0.20 0.4土基 60 1 800 0.40 0.4

通过对两层底部剪应力曲线图的对比分析，发现最大剪应力均出现在载荷区域以下的边缘，接触模型上层最大剪应力的变化趋势大于连续模型上层的变化趋势，与检测数据对比，接触模型更符合路面的实际应力状态。连续模型（理想模型）中的最大剪应力和整体剪应力相对于实际受力较小，且应力扩散现象出现在地基中，以此结果进行路面设计将导致路面结构层厚度的不足。两种模型的剪应力对比如2所示。

2.2.2 层面弯沉值计算

在JTGD50—2017《公路沥青路面设计规范》中，路面施工结束时，为保证路面结构的强度和承载能力达到相应的指标要求，设置了一系列力学指标，弯沉值就是其中一项重要的检测指标。但是，调查结果显示，大多数正在使用的高速公路，实际检测的路面弯沉值与路面损坏之间无明显的关联。也就是说，公路正常使用的时候，沥青路面层与层交接的地方接触状态和相互作用的方式逐渐改变。应用有限元软件对沥青路面结构进行力学分析时，设置不同的层间摩擦系数来对应不同的层间接触状态。综合考虑不同的层间接触状态，从接触良好（μ=0.7）到接触不良（μ=0.3），计算所得弯沉值的数值曲线如图3～5所示。

图1 连续模型层底剪应力曲线

表2 两种模型最大剪应力值及增幅模型 上面层 中面层 下面层接触/kPa 523.5 392.2 274.1连续/kPa 268.2 254.5 199.6增幅/% 95 54 37

图2 接触模型层底剪应力曲线

图3 面层弯沉值计算结果

图4 基层弯沉值计算结果

图5 底基层弯沉值计算结果

根据曲线图可以看出，靠近单圆轴中线的位置发生较大的变形，挠度达到峰值，两圆间隙内范围挠度变形较大，距离荷载作用范围越远，挠度变形越小。挠度大小变化规律与距离荷载作用区的远近有关，跟不同的摩擦系数无关。摩擦系数对应着层间接触的程度，摩擦系数越小，层间不连续程度增加，沥青面层底部挠度大小几乎无变化，底基层底部挠度增大趋势最为明显，增加了25.6%，沥青路面结构总弯沉主要部分就是底基层底部产生的挠度变形。各层在不同摩擦系数下的最大挠度值如表3所示。

3 沥青路面应力的影响因素分析

3.1 沥青层厚度对应力分布的影响

本文为研究沥青路面厚度与其应力分布的作用机理，选取4种厚度分别为8，12，15，18cm的沥青路面，建立了不同厚度的路面有限元模型，选择剪应力为主要研究力学指标。主要结论如下：①沥青路面结构的沥青面层厚度是影响沥青路面受力状态和强度的重要因素；②当沥青路面厚度超过18cm时，沥青路面与基层之间的剪应力趋于零，而沥青路面的剪应力则随着沥青路面厚度的增加而增大。③沥青路面面层厚度越小，沥青面层与基层之间的剪应力越大。

3.2 沥青路面模量对应力的影响

沥青路面出现车辙是很常见的现象，它的产生是多种因素综合作用的结果，温度影响和荷载是两个重要原因。由于沥青路面材料具有黏弹性，应力引起的车辙实际上是沥青路面材料在高温作用下的状态变化。因此，路面层车辙的产生不仅与路面所受荷载产生应力有关，而且受温度的影响比较明显。沥青混合料的受力状态随温度而改变的特性，直接对路面质量产生影响。在高温状态影响下，沥青混合料具有黏弹性、塑性体性质，承受车辆带来的荷载压力和少量的应力作用时，会产生由于温度变形而产生的变形力，这种力会对沥青路面结构带来永久性的破坏，路面遭到破坏之后，车辆的正常行驶也受到了影响。温度对沥青路面的刚度模量会产生十分显著的影响。混合料的刚度模量随着温度的升高而降低，成反比例关系，沥青路面刚度模量降低对路面受力的影响大。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0611/588.html