DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.040

基于环境温度变化的混合式基层沥青路面结构疲劳损伤分析

郭芳^{1, 2, 3}，付宏渊³，邵腊庚⁴

(1. 长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南 长沙，410004；

2. 湖南交通职业技术学院 路桥工程学院，湖南 长沙，410132；

3. 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410004；

4. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004)

摘要：为了分析环境温度变化时混合式基层沥青路面结构的疲劳损伤特性，拟定3种混合式基层沥青路面结构，充分考虑广西河池地区各月温度变化以及土基回弹模量的季节性变化，运用ABAQUS软件对2种层间结合状态的4种路面结构方案的温度场、应变响应和疲劳损伤进行计算分析，通过试验路面温度传感器、应变片的监测结果和疲劳损伤模拟模型计算沥青层的疲劳损伤。研究结果表明：在不同月份温度下，沥青路面应变响应差异大，随着气温升高，层底弯拉应变增大；各季节疲劳损伤存在明显差异，高温季节产生的疲劳损伤所占比例较大；以水稳碎石为底基层，级配碎石为基层及大粒径沥青碎石混合料作下面层的混合式基层沥青路面结构方案B，温度敏感性最小，疲劳损伤最小。研究结果可为选择良好的混合式基层路面结构提供思路。

关键词：沥青路面；混合式基层；温度；疲劳损伤；ABAQUS软件

中图分类号：U416.217            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)05-1869-07

Fatigue damage analysis of composite base asphalt pavement structure based on change of ambient temperature

GUO Fang^{1, 2, 3}, FU Hongyuan³, SHAO Lageng⁴

(1. Key Laboratory of Road Structure and Material of Ministry of Transport,

Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China;

2. Institute of Road and Bridge Engineering, Hunan Communication Polytechnic, Changsha 410132, China;

3. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology,

Changsha 410004, China;

4. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology,

Changsha 410004, China)

Abstract: In order to analyze the fatigue characteristics of composite base asphalt pavement structure under the change of ambient temperature, the impact of Hechi temperatures of each month in Guangxi and seasonal variations of subgrade resilient modulus were considered, and three kinds of asphalt pavement structures on composite base were put forward. With ABAQUS software, two states between layers were considered, and the temperature field, strain response and the cumulative fatigue damage of four pavement structures were calculated and analyzed. By monitoring results of temperature sensors and strain gauges with straight road tests, simulation models were used to calculate fatigue damage of asphalt layer. The results indicate that the strain response with different temperature fields in each month in asphalt pavement is varied. When the temperature increases, the tensile strain at the bottom of asphalt layer increases. The fatigue damage in different seasons is varied and has high proportion in high temperature season. Based on the ambient temperature change considerations, the temperature sensitivity of scheme B is the smallest (scheme B means composite base asphalt pavement which is made of cement stabilized, graded gravel for the base layer and large size asphalt macadam mixture layer), and its fatigue damage is the minimum. The research results can provide reference for choosing good pavement structure on composite base.

Key words: asphalt pavement; composite base; temperature; fatigue damage; ABAQUS software

沥青与沥青混合料是感温性材料，其劲度特性具有强烈的温度依赖性，从而使沥青路面的力学响应和使用性能都与路面温度状况密切相关^[1]。目前，我国公路沥青路面设计规范并未明确将温度作为1个必须考虑的影响因素^[2]。由于温度变化、极端气候等引起的路面损坏现象越来越普遍，人们也充分意识到路面结构组合设计忽略温度因素所带来的严重后果。国内的道路工作者对此开展了大量的研究工作，并取得了许多研究成果^[3-7]。但许多路面温度场的研究工作局限于环境因素对路面温度场的影响，局限于结构层的模量与厚度的影响分析，并且局限于传统的半刚性基层沥青路面结构。半刚性基层沥青路面有许多优点^[8]，但也有一些缺点，如：半刚性基层容易产生干缩或温缩开裂，引起面层反射裂缝；半刚性基层材料致密，是一种“水敏感”和“水加速损坏”型基层，易导致路面发生结构性水损坏；半刚性基层刚度过大，使得沥青面层承受更大的应力状态并产生车辙破坏。本文作者提出混合式基层沥青路面的3种结构形式，充分考虑广西河池当地温度和土基强度等因素，运用有限元软件ABAQUS进行力学分析，对各种结构方案的温度场及力学响应进行计算，并对疲劳损伤进行分析。通过直道试验路段的铺筑，进一步验证疲劳损伤性能，以便为选择良好的混合式基层路面结构提供思路和 方案。

1  路面结构方案

共考虑4种沥青路面结构类型：一种是广西河  池—都安高速公路的原路面结构，即典型的半刚性基层沥青路面，其余3种为混合式基层沥青路面。路面结构总厚度均为92 cm，路面结构方案如图1所示。

图1  试验路路面结构方案

Fig. 1  Pavement structure projects of test road

2  计算模型及参数

2.1  计算模型

利用ABAQUS有限元软件建立三维模型，模型长×宽×高选为10 m×10 m×5 m，如图2所示。选用8节点实体应力单元(C3D8R)进行热应力分析^[9]，同时对荷载作用区域进行网格加密处理。边界条件设定4个面为竖直自由移动、垂直面的方向固定；下边界为三向固定；上边界为三向自由。车辆荷载采用标准轴载BZZ-100，作用在沥青路面上表面中央，等面积分为对称2块，接地作用长×宽为21.4 cm×16.2 cm。

图2  有限元模型图

Fig. 2  Diagram of finite element model

2.2  层间接触状态

路面结构层间接触状态考虑2种情况：一种为完全连续状态(以下称层间状态Ⅰ)，假定路面各层之间完全连续；一种为更接近实际的接触状态(以下称层间状态Ⅱ)。层间状态二假定沥青面层与水稳基层之间、水稳基层与水稳底基层之间、级配碎石基层与水稳底基层之间是具有层间接触特性的不完全连续体，层间接触摩擦因数取0.6，其余层间为完全连续。

垂直于接触面的相互作用在传递接触压力时不会随层间接触状态的变化而变化，而沿接触面切向的相互作用遵循库仑摩擦模型行为^[10]，即

                 (1)

式中：为界面临界剪切应力；p为法向接触压力；为摩擦因数，取值为0~1，越接近于1，则界面黏结越好。

2.3  不同月份的温度路面材料参数确定

搜集河池地区的月平均气温资料、辐射、风速等气象资料，确定路面主要材料计算参数，如表1所示。各沥青层的回弹模量采用MTS的试验成果并进行曲线拟合，分别以12个月的月平均气温作为代表气温，并得到各结构层在该温度下对应的回弹模量，如表2 所示。我国规范规定采用不利季节的土基回弹模量作为设计参数，在设计年限内土基模量恒定不变，这与实际情况不符，国外的许多沥青路面设计方法已经考虑到土基回弹模量的季节性变化。相关研究发现^[11]，在同一季节测得的土基回弹模量较接近，为了简化设计和计算，这里将1 a分为4个季节，各个季节的代表模量为代表月份模量的平均值。此处土基回弹模量按季节取值，季节土基回弹模量取值如表3所示。其他各层材料参数不考虑随温度的变化。

表1  主要计算参数

Table 1  Major calculation parameters

表2  回弹模量与温度的关系

                       Table 2  Relationship between resilience modulus and temperature                    MPa

表3  土基回弹模量

Table 3  Resilience modulus of soil base

3  计算结果与分析

3.1  温度场的计算

通过计算可得广西河池各月平均气温及路面沥青层温度场的年变化曲线，如图3所示。从图3可见：在沥青层内，不同路面类型之间温度变化幅度相差很小，但沥青路面温度随月份的变化明显；道路结构温度随着深度的增加而逐渐降低，7月份河池地区平均气温为 28.1 ℃，而路表面温度为38.5 ℃，两者相差 10.4 ℃；随着深度增加，在深度为 2，4，7，10，15，20和24 cm处，道路温度也随之降低，但下降幅度不大；随着深度继续增加，道路温度继续降低，但降低到一定值时不会变化。在低温季节，河池地区 1 月份的平均气温为10.9 ℃，此时路表温度为15.4 ℃，比平均气温高；随着深度进一步增加，温度逐渐降低，至深度20 cm处，温度降至12.4 ℃。

图3  各月平均气温及沥青层温度场变化曲线

Fig. 3  Monthly mean temperature and temperature field in asphalt layer

3.2  沥青层的最大拉应变

沥青路面由于疲劳破坏产生的裂缝产生在与沥青混合料最大拉应变垂直的面上，与三相应力相关的最大拉应变比单一的拉应力更能反映沥青混合料的受力状况^[12-13]。通过计算，半刚性层的弯拉应变较小，此处主要考虑沥青层在2种层间结合状态下的最大拉应变，分别如图4和图5所示。

从图4和图5可知：当层间完全连续时，原方案和方案C处于完全受压状态，即使在气温最低的1月份也没出现拉应变，方案A和方案B在沥青层层底出现了最大拉应变，且方案A的最大拉应变比方案B的大；当层间不完全连续时，4个方案均在沥青层底部均出现了最大拉应变；层间的不完全连续状态使得4类沥青路面结构拉应变水平骤增；随路面温度提高，沥青层的最大拉应变增加；在不同月份温度下，沥青路面各结构层拉应变的变化幅度不同，各方案按变化幅度极差从大到小排列，依次为原方案、方案C、方案A和方案B。

图4  层间结合状态Ⅰ下沥青层最大拉应变月变化曲线

Fig. 4  The maximum tensile strain monthly change curve in asphalt layer in interlayer condition Ⅰ

图5  层间结合状态Ⅱ下沥青层最大拉应变月变化曲线

Fig. 5  The maximum tensile strain monthly change curve in asphalt layer in interlayer conditionⅡ

3.3  疲劳累积损伤计算

以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标，并选择美国沥青学会(AI)设计方法中产生疲劳开裂的允许荷载重复作用次数N_f与沥青层底部拉应变ε_t的关系^[14]进行计算。

           (2)

其中：E₁为沥青层的回弹模量。

选取层间不完全连续的情况计算，根据P-M线性累积损伤准则，假设交通量按月均布，取设计年限为15 a，则设计年限内累积疲劳损伤D为

           (3)

其中：为各月标准轴载作用次数；为用式(2)计算的在不同月份温度下的疲劳寿命。通过计算，沥青层的累计疲劳损伤见表4，疲劳损伤随季节的变化规律见图6。

从表4可以看出：沥青层的疲劳损伤总和从大至小的方案为原方案、方案A、方案C和方案B。各月产生的疲劳损伤率不同，高温季节疲劳损伤所占比例大，疲劳损伤由大至小的月份依次是6~8月份、3~5月份、9~11月份、12月份~第2年2月份。温度的月变化、土基模量季节性变化对沥青层的疲劳损伤有较大的影响，若按现行规范取单一温度和土基模量，在抵抗疲劳开裂上是偏于不安全的。

表4  沥青层累计疲劳损伤

Table 4  Fatigue damage of asphalt layer

图6  沥青层疲劳损伤随季节变化规律

Fig. 6  Variation of fatigue damage with season in asphalt layer

4  试验路的验证

4.1  试验路方案

试验采用长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室的直道试验系统，利用直线式加速加载试验系统在直道试槽模拟汽车行驶，试槽宽度为3.2 ｍ，试槽深度为2.2 ｍ，路面距槽顶0.3 ｍ，土基与路面总厚度为1.9 ｍ。在4种路面结构的各沥青层层底均安装应变片，用于观测在环境温度变化和行车荷载作用下沥青层的应变响应，并且在沥青层各层中间位置安装温度传感器，用于跟踪观测不同深度处的温度。温度传感器及应变测点的位置如图7所示。

图7  直道试验路方案示意图

Fig. 7  Diagram of direct track test

4.2  沥青层层底拉应变

在加载过程中，沥青层的弹性模量随温度变化而变化，沥青层层底的拉应变也会发生变化。为了得到温度对试验路的沥青层层底拉应变的影响，在加载到3万次时，选择连续1 d共24 h观测，每0.5 h记录沥青层温度与沥青层层底的动应变。通过观测，层底纵向最大拉应变明显大于横向最大拉应变，回归得到4种路面结构方案的沥青层层底纵向最大拉应变和沥青层温度的关系如图 8所示，回归结果如表5所示。

图8  各方案实测应变随沥青层温度变化规律

Fig. 8  Variation of strain with temperature in asphalt layer for different schemes

表5  沥青层层底应变随温度变化回归结果

Table 5  Regression result of strain at bottom of asphalt layer

从图8可以看出：随着路面温度的升高，沥青层底拉应变增大，各结构沥青层底对温度的敏感性不同；各方案中，沥青层底纵向拉应变对温度的敏感性由大至小为原结构、方案C、方案A和方案B，与力学分析结果一致。

4.3  试验路面疲劳损伤

为了加速疲劳开裂，本次直道试验分阶段分别采用轮重5 t(轴载100 kN)，6 t(轴载120 kN)，7 t(轴载140 kN)和9 t(轴载180 kN)加载，对弯沉、应变等指标进行记录和分析。试验路共采用645 000次重复荷载。对于出现横向疲劳裂缝的荷载作用次数，原方案为569 000次，方案A为603 000次，方案B为645 000次，方案C为583 000次。在加速加载过程中，荷载作用次数按照周期单元和温度区间进行统计，可得到在不同周期单元不同温度区间的车轮荷载对沥青路面的作用次数。根据Miner损伤原理，各结构方案在温度和荷载综合作用下所引起的损伤^[15]。

         (4)

式中：i为周期单元，在试验路面总共停机20次，用于采集数据，相当于划分为20个周期单元，即x=20；j为温度区间，本次直道加速加载试验中温度范围为    15~30 ℃，以1 ℃ 为区间，划分为 16 个温度区间，分别为[14.5，15.5)，[15.5，16.5)，…，[28.5，29.5)，[29.5，30.5] ℃，即y=16；为第i个周期单元第j个路面温度区间下试验路荷载的标准作用次数；为试验路路面结构在第i个周期单元第j个路面温度区间下标准荷载作用时的疲劳作用次数，通过式(2) 确定。

通过计算，结构的疲劳损伤由大至小的方案为原方案、方案C、方案A和方案B。力学分析和试验路面结果表明：混合式基层方案B具有较好的温度敏感性和抗疲劳性能，方案B在沥青混凝土面层与级配碎石基层之间设置了沥青稳定碎石层，减少了层间的模量比，降低了面层层底拉应力，且沥青层总厚度增加，有利于延缓反射裂缝的产生。

5  结论

1) 对于半刚性基层沥青路面，若按现行规范假定各结构层完全连续，则沥青层底受压。但若考虑环境温度变化及更符合实际情况的层间接触情况，则沥青层将出现拉应力。

2) 路面温度场随月份的变化明显，在不同温度下沥青路面应变响应差异明显；随着路面温度提高，沥青层的最大拉应变增加。

3) 试验路各结构方案对温度的敏感性由大至小为原方案、方案C、方案A和方案B，与力学计算分析结果一致。

4) 在路面设计中应充分考虑环境温度变化的影响，各季节疲劳损伤存在明显差异，高温季节所占比例较大。

5) 对基于环境温度变化的沥青路面疲劳损伤总和，从大至小的方案依次为原方案、方案A、方案C和方案B。在这4种方案中，混合式基层沥青路面方案B对温度敏感性小，疲劳损伤最小。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-06-10；修回日期：2014-08-12

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278067)；湖南省教育厅科学研究项目(14C0409)；长沙理工大学道路结构与材料交通重点实验室开放基金资助项目(kfj120203) (Project(51278067) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(14C0409) supported by Education Department of Hunan Province; Project(kfj120203) supported by Traffic Road Structure and Material Key Laboratory Open Fund of Changsha University of Science and Technology)

通信作者：郭芳，博士研究生，讲师，从事路基路面工程研究；E-mail: guofang717@126.com