层间接触状态对沥青路面结构的力学响应分析

0 引言

我国沥青路面的设计方法是以弹性层状体系理论为基础的，能够较好地反映沥青路面的分层铺装特性和应力状态，一般可以作为力学-经验法的理论模型。该理论要求在实际应用和施工过程中，沥青路面各层构造在接触条件上满足层间完全连续性以及材料的弹性、受力均匀性和材料、受力各向同性的理论假设。在实际的沥青路面施工过程中，为了保证层与层之间的施工质量，现已有众多技术措施来支持，比如设置粘层、透层、封层，更能够根据不同的状况灵活地选取几种技术措施。但是因为路面作业的交叉与间断操作，或者由于车辆与人通行之后清扫不及时，导致沥青各个面层之间或基层与下面层之间的黏结性能受到影响，遇水后会形成淤泥，从而造成污染。路面各个结构间的黏结状态由连续转变为半连续、甚至滑动状态，这一变化使路面的完整性和使用寿命受到重大影响。因此，以弹性层状体系理论为基础，从实际受力状态出发，充分考虑路面结构的实际接触情况，才能获得路面设计最理想的效果。

1 对沥青路面应力的相关分析

1.1 弹性层状体系理论

路面设计时，以沥青混凝土路面为例，它的设计规范依据是弹性层状体系理论。关于沥青路面结构的设计从过去到现在有众多的理论基础，此弹性层状体系理论已经能够较好地反映路面结构的实际受力状态，因此在计算时多采用该理论。并且随着计算机技术的迅速发展，利用计算机对弹性层状体系结构（沥青路面结构）进行精确计算，使得利用计算机对数据结果加以修正以获得可靠的数据信息的目的得以实现。

1.2 有限元分析方法

应用有限元方法对沥青路面结构层间接触状态进行研究主要形成了两种思路。第一种是根据已有的路面设计软件和自己编写的有限元程序来改变层间剪切模量的方法来实现。第二种是利用大型有限元软件如ansys、abaqus等，设置不同的层间摩擦系数来对应不同的路面层间接触状态。有限元软件的出现为解决复杂结构的受力计算问题提供了有力的保障和支持。路面层间接触的分析属于非线性分析的范畴，有限元分析对于由于车辆荷载和温度引起路面的非线性变化有完善的计算系统。车辆行驶过程中可能会面临时经常性的刹车制动与起步，这一过程会产生水平作用力，在接触分析这一领域还可以研究水平制动力对沥青面层的力学响应，利用已建好的有限元模型分析各个力学指标的变化规律。

1.3 流变学和黏弹性力学

这两种学科发展至今已有50多年的历史，主要被国外学者应用来研究一些材料的特性。对沥青路面所受荷载的加载规律研究发现，路面结构上主荷载——车辆驱动荷载既属于一种动态荷载，又具备瞬时荷载的循环重复的加载特点，所以沥青路面在这种车轮的驱动荷载作用下明显会出现应变滞后现象和应力松弛现象。这两门科学为系统地研究和阐述沥青路面结构受力的机理提供了重要的理论支持的指导，然后以此为前提提出一种科学的检测方法，使计算所得的数据准确科学。

2 层间接触状态对沥青路面结构的力学响应分析

2.1 沥青路面结构材料参数的确定

2.1.1 沥青路面结构材料参数

在进行有限元分析的时候，需要解决以下几个方面的问题：建立合适的计算模型，划分合理的网格方便计算和便于精准计算，充分考虑几何边界条件等问题。同时，还需要选择适当的参数值来区分不同的接触类型，本文将通过设置不同的摩擦系数来区分。在确定模型尺寸的时候，先参考相关文献中沥青路面的理论模型尺寸，再结合计算的需求、有限元软件分析计算速度和计算机的计算运行因素，建立模型尺寸长宽高分别为5m×5m×2m（长×宽×高）。网格划分的时候为了更好地接近实际状态和方便准确的计算分析，可以依据的原则是根据荷载作用区域的影响范围，车辆荷载作用较近的区域划分为密集网格，荷载作用较远的区域划分为稀疏网格。根据已有高速公路的材料参数确定本文路面结构材料参数，如表1所示。

荷载作用的计算模型为双圆均布荷载。一侧两个车轮的总载荷为50kN，载荷圆半径为10.65cm。

2.1.2 根据接触状态计算分析

接触分析的研究思路是在有限元软件中将其设置为约束状态，这个是可以通过有限元软件设置功能来实现的，并以此模拟路面结构层的整体受力，将计算结果与弹性层状体系理论模型数据进行对比，证明本模型的合理性。针对接触和连续两个模型在弯沉和剪应力等力学指标做一个计算结果的分析对比。再针对接触模型，改变不同的摩擦系数来对应不同层间接触状态，最后得出接触模型更符合路面的实际受力状态，接触模型的计算结果更有利于指导工程施工、路面设计等。

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