沥青路面力学响应分析及其研究方法综述

沥青路面力学响应分析及其研究方法综述
发布时间：2022-07-11T02:28:48.391Z 来源：《工程管理前沿》2022年5期3月作者：黄勇维
[导读] 沥青路面具有比较复杂的力学特性，为了研究沥青路面的破坏机理以及路面应力应变变化规律，
黄勇维
重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
摘要：沥青路面具有比较复杂的力学特性，为了研究沥青路面的破坏机理以及路面应力应变变化规律，本文系统阐述了荷载、温度、路面结构类型以及层间接触状态对沥青路面结构力学的响应机理。

并且鉴于以往对路面进行力学研究不能够准确、真实、细致的反映其力学行为的问题，本文简述了对沥青路面细观力学行为的研究，使沥青路面力学的研究能够宏、细观相结合。

研究发现，细观力学分析能对内部材料变化进行量化处理，全面分析沥青路面力学响应，对改善路面性能有重要意义。

关键词：路面力学响应；荷载；温度；层间接触状态；细观力学研究
0 引言
我国沥青路面损坏影响因素主要有材料、荷载和温度。

因此，解决沥青路面这些问题，就要从因素出发，有必要对沥青路面力学响应因素进行分析研究。

沥青路面长期处于不同的自然环境中，并非单一不利因素影响沥青路面，在恶劣的气候条件和车辆荷载共同作用下，沥青路面材料内部逐步发生变化，路面出现宏观的损坏现象。

以往对路面进行力学研究，通常将沥青路面通过假设条件进行了不同程度的简化，与实际情况存在差别，不能够准确、真实、细致的反映其力学行为，因此，有必要对沥青路面细观力学行为进行研究，达到宏、细观相结合的目的，全面分析沥青路面力学响应，对改善路面性能有重要意义。

1沥青路面力学响应分析综述
沥青路面是多层路面结构，具有比较复杂的力学特性。

国内外大量研究表明，对沥青路面力学响应有显著影响的因素主要有荷载、温度、路面结构类型和层间接触状态等。

研究不同因素影响下的路面力学响应，可以为更科学合理的路面设计方案提供必要的参考。

1.1荷载
在沥青路面的力学性能分析时，通常把轮胎与路面的接触面作为路面受力分析的影响区域。

为了计算方便，一些学者对沥青混合料模量的研究时，常将接粗面假定为规则的几何图形进行力学计算。

刘仕贵利用ABAQUS对沥青混凝土路面进行有限元计算分析。

研究中考虑了4种常见的荷载形式，即正常荷载、超载、正常荷载+制动和超载+制动，结果表明，制动产生的水平荷载对弯拉应力、峰值剪应力和峰值剪应力位置有显著影响，而超载对路面的弯沉值和弯拉应力影响显著。

目前，我国沥青路面设计仍以静力学为基础，所提出的动荷载系数仅基于经验修正系数。

在实际道路结构中，移动荷载会在道路各结构层中引起阻尼，对道路的动态力学响应产生很大影响。

在阻尼结构的分析计算时采用应用较为广泛的粘性阻尼假设，即认为材料的阻尼随着速度的提高而变大，材料阻尼与速度成正比。

在路面动态响应分析中，单元的阻尼矩阵采用瑞利阻尼假设：
1-2
式中，α、β为阻尼系数。

1.2温度
在以往的温度对路面力学响应研究中，大多数研究仅仅采用统一的温度值进行路面分析，没有考虑沿路面结构深度方向温度梯度的存在，难以真实分析温度对路面力学响应的影响。

而针对这个问题，董泽蛟[1]等将温度梯度这一因素考虑在内，运用ABAQUS软件中实现了太阳辐射、空气辐射换热及对流换热的作用，以便模拟更加真实的温度场分布。

结果表明：温度场对响应的振幅有影响；温度场分布对竖向应变、纵向应变和剪应变的影响较大，对横向应变值的影响较小。

严战友[2]等研究了在单轴压缩试验过程中应力-应变、接触力分布的变化情况。

结果显示在温度-荷载作用下，垂向应力、切向应力随温度升高而增大，水平方向受到的拉应力随温度升高逐渐降低，但相对于超载作用下的变化情况较小。

1.3路面结构类型
由于半刚性基层、柔性基层、复合式基层沥青路面采用了不同的路面结构形式，其路面使用性能及耐久性与传统结构路面也有所不同。

鉴于此，潘勤学等利用 ANSYS有限元软件，建立有限元三维实体模型，从沥青路面设计指标、拉应力、拉应变、剪应力等多个角度出发，分析了三种典型路面结构力学响应特点。

结果表明：半刚性基层沥青路面具有较好的竖向承载能力，但易产生疲劳开裂，导致反射裂缝的发展；复合基层沥青路面综合了其他两种路面结构的特点，具有更广泛的适用性；柔性基层沥青路面整体受力均匀，变形协调，在满足整体变形要求的前提下具有更好的耐久性。

1.4层间接触状态
沥青路面结构是多层式结构，各结构层材料均不相同，各材料层之间由于其性能、工艺均不相同，实际很难达到完全连续的理想状态，对路面的力学性能影响巨大。

当前我国的沥青路面设计是以弹性层状体系理论为基础，其将层间接触条件假设为完全连续的。

冉升财[3]等针对半刚性基层沥青路面结构，采用Ansys有限元分析软件，选取三种层间接触状态( 连续、弱连续、光滑) ，对不同接触状态下各结构层力学响应进行计算分析。

结果表明：随着层间接触从连续转变为光滑状态，路表弯沉迅速增大、相应的层底拉应力也迅速增长。

高源[4]较为系统地分析了层间接触状态对路面弯沉、面层底面拉应力和和基层底面拉应力等力学响应的影响，得出在面层和基层由连续状态到滑动状态过程中，路面的各层底部受力及路基顶面压应变都有明显变化，尤其当路面处于超载情况下，影响更为显著。

2沥青路面结构细观研究现状
2. 国内外专家学者针对沥青混合料从细观角度进行了一系列研究，通过离散元法对黏性土类材料进行了平面双轴压缩试验模拟，结果表明，颗粒黏结强度与材料黏聚力呈线性关系，颗粒摩擦系数与材料内摩擦角呈对数关系。

建立了双层车辙试件模型，分析了试件内部接触
力变化及颗粒空间运动轨迹，结果表明，上面层主要受压，拉应力则主要分布在下面层，SMA-13骨架性能比AC-20好。

目前，针对沥青材料的细观分析大都集中在室内试验等尺度，较少从整体路面结构尺度进行细观分析。

3结论
12343.4. 本文主要从车辆荷载、温度、路面典型结构类型以及层间接触状态四个方面系统阐述沥青路面力学响应影响因素，并且分析了沥青路面细观研究现状，得出以下结论：
1）荷载形式不能仅限于静载，应考虑动载和不均匀荷载；水平荷载引起的面层底部弯拉应力和层间剪应力对路面使用寿命有较大影响。

2）沥青混合料的强度、弹性模量等都随着温度变化。

改变温度场分布对竖向应变、纵向应变和剪应变值的影响较大，对横向应变值的影响较小。

3）半刚性基层沥青路面竖向承载能力较好，但基、面层层底受力不利，易产生疲劳开裂，进而导致反射裂缝发展。

柔性基层沥青路面整体受力均匀，变形协调，在满足整体变形要求的前提下具有更好的耐久性。

复合式基层沥青路面结构综合了其他两种路面结构的特点，具有更广泛的适用性。

4）与现行路面设计理论假设不同，路面层间接触不是完全连续的。

层间接触越稳定，越不容易产生层间滑移剪切破坏。

5）沥青路面在荷载、温度作用下，进行材料内部的细观研究，对内部材料变化进行量化处理。

目前针对沥青材料的细观分析大都集中在室内试验等尺度，较少从整体路面结构尺度进行细观分析。

参考文献：
[1]董泽蛟,潘小康,邵显智,周兴业.温度场及非均布移动荷载作用下沥青路面力学响应分析[J].同济大学学报（自然科学版）,2016,44(5):740-746.
[2]严战友，王震，陈嘉信，等．基于温度-车辆荷载作用下沥青路面细观力学响应[J]．北京交通大学学报，2020，44（3）：118-128.
[3]冉升财.基于有限元的层间接触对沥青路面力学响应影响研究[J].北方交通，2021,02:44-50.
[4]高源.层间接触状态对沥青路面力学响应的影响研究[J].西部交通科技，2013（03）:17-21.。