修補尺寸瀝青路面坑槽補縫力學研究

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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力和最大剪應力，探討了各補縫界面力學指標隨摩擦系數的變化規律。

關鍵詞：道路工程；修補尺寸；摩擦系數；坑槽修補；Goodman模型

一、引言

在不同氣候環境條件下，路面承載能力受到交通量劇增、超載現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場實際工況，通過ABAQUS數值模擬軟件計算坑槽補縫界面處最大拉應力和最大剪應力分布情況，分析不同界面摩擦系數下各力學指標演變規律和差異，為坑槽修補措施制定、界面粘結材料設計與研發提供借鑒和依據。

二、有限元模型建立

（一）模型構建各路面結構層及其材料參數取值參照西北地區某一級公路建設標準，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）、水泥穩定碎石基層和底基層、土基部分組成。路面結構層設計參數見表1。

（二）計算參數選取根據瀝青路面設計規范要求，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。坑槽補縫界面接觸狀態采用完全連續和半接觸半分離兩種狀態，其中完全接觸狀態表示無坑槽時的連續介質，采用Cont表示；半接觸半分離狀態通過修補塊與原路面之間摩擦系數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定義為完全連續。為保證計算精度，提高計算效率，試算確定模型整體規格為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性能變化規律。

三、結果與分析

由于修補塊與原路面接觸面積相對較小，當行車荷載長期作用于修補結構時，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料抗拉閾值而出現剪切脫粘現象，在雨雪水不斷滲入的情況下，逐漸由微觀裂縫演變為宏觀龜裂、坑槽等路面常見病害。經過試算，確定縱縫界面提取拉應力值最大，輪載內邊緣處的補縫界面處存在最大剪應力值。因此，本次應力值按上述出現最大值位置提取。

（一）修補尺寸對補縫界面最大拉應力的影響將上述三種工況結果整理匯總后，得到不同修補尺寸下最大拉應力隨補縫邊界摩擦系數的變化規律，如圖1所示。圖1計算結果表明：1.不同接觸狀態時，縱向補縫處最大拉應力變化顯著，即摩擦系數為μ=1.0時，界面最大拉應力是完全連續狀態時的2～9倍。究其原因，連續接觸狀態條件下瀝青路面結構層不存在坑槽病害，基體混合料之間完全連續、均勻分布，由此荷載作用下產生的拉應力處于連續傳遞、分散狀態，理論上不存在應力集中和傳遞阻斷現象，因此具有較大的受荷能力與較強的傳遞、分散荷載能力；而半結合狀態下，路面結構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狀態，補縫界面之間的應力傳遞和分散主要通過側壁集料嵌擠效應和粘結作用完成，因此其荷載傳遞不連續，分散能力較差，存在應力損失現象。2.隨著瀝青路面坑槽補縫界面粘結狀態越來越差，不同修補尺寸下的最大拉應力呈非線性增大趨勢，完全脫粘狀態下的最大值接近0.4MPa，而縱縫底部，隨著摩擦系數的逐漸減小由壓應力過渡變化為拉應力，當μ=0.5左右時，存在中性點，即處于無應力狀態；摩擦接觸模型下，縱縫最大拉應力的修補尺寸效應明顯，補縫頂部最大拉應力隨長寬比的增大先減小后增大，而底部最大拉應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力的影響不同修補尺寸下，最大剪應力變化規律如圖2所示。1.連續接觸模型下，不同修補尺寸的修補塊表面和底面最大剪應力均不超過0.14MPa，且與修補塊底面最大剪應力相比，其值在表面處大于2倍，由此可見，在水平荷載的情況下，應考慮修補結構最大剪應力最不利的位置上移至路表，補縫頂部密封處應以防滲水、開裂等病害為主要處置方向來制定防治方案。2.修補尺寸效應對坑槽補縫界面剪應力影響較大，當修補尺寸為100cm×100cm×9cm時，在修補塊處于完全不連續接觸狀態下，其表面出現最大剪應力峰值0.16MPa，因此，在實際工程中應根據坑槽破壞形狀，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力，在行車荷載作用下坑槽補縫界面發生二次剪切破壞。

四、結語

與連續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為不連續，分散能力較差。因此，在進行坑槽補縫界面力學分析時，采用半結合狀態的路面力學計算方法更為合理。在不同修補尺寸的條件下，最大拉應力和剪應力均出現在縱縫頂部和輪載內邊緣表面處。當修補塊處于完全脫粘狀態時，修補尺寸為100cm×100cm×9cm的瀝青路面坑槽補塊表面出現最大剪應力峰值0.16MPa；當修補尺寸一定時，補縫界面最大拉應力隨摩擦系數的逐漸減小呈非線性增加趨勢；當μ=0.5左右時，縱縫底部存在最大拉應力變化中性點。

作者：奚鶴 單位：新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院