倒装结构路面研究进展

第42卷第19期•128 • 2 0 16 年 7 月

山西建筑

SHANXI ARCHITECTURE

Vol.42 No. 19

Jul.2016

•道路•铁路•

文章编号：1009-6825 (2016) 19-0128-03

倒装结构路面研究进展+

裴仪

(长安大学公路学院，陕西西安710064)

摘要:介绍了国内外倒装结构路面的研究现状，阐述了级配碎石基层的力学特性和测试方法，总结了用以描述级配碎石基层力 学特性的本构模型,探究了以有限元数值模拟为基础的倒装结构路面结构分析方法，最后对倒装路面的进一步研究进行了展望。

关键词:倒装结构路面，级配碎石基层，本构模型，数值模拟

中图分类号:U416 文献标识码:A

〇引言

半刚性基层沥青路面因具有较高的强度、刚度、承载能力、抗 疲劳破坏能力以及荷载扩散能力，被广泛应用于我国各级公路，尤其是高速公路沥青路面建设中，其为减薄沥青面层厚度、减小 路表弯沉、降低工程造价等提供了良好条件。但随着服役年限的 增加，半刚性基层沥青路面也暴露出严重早期病害问题,主要包 括路面反射裂缝,以及半刚性基层材料的强度、模量的疲劳衰减。

为减少半刚性基层沥青路面的反射裂缝，当前采取的措施主 要包括增加沥青面层的厚度，并进行半刚性基层材料的合理组成 设计。但这些方法均未能从根本上消除半刚性基层的开裂。在 沥青混合料面层与半刚性基层之间铺设级配碎石层，以此作为应 力消散层，可减轻半刚性基层路面的反射开裂，这种路面结构称 为倒装结构[1]。然而，当前国内外针对倒装结构路面的研究，多 侧重于试验路的铺筑与观测,所采取的分析方法则基于现象学，而未深人到路面材料力学与道路结构力学范畴。为此，本文从级 配碎石材料力学性能与倒装结构路面结构分析两个角度着手，深 人综述并分析已有的研究成果，以期为倒装结构沥青路面研究奠 定理论基础，为丰富我国沥青路面结构形式提供理论指导。

1级配碎石力学性能研究

1.1 级配碎石回彈模量的测试方法

回弹模量是反映级配碎石力学性能的重要指标，也是进行道 路结构力学计算与路面结构组合设计的基本材料输人参数。级 配碎石属于粒状材料，其在交通荷载的作用下表现出明显的非线 性和弹塑性力学特性。在当前的研究中，级配碎石回弹模量的测 试方法可以分为室内测试方法、现场测试方法和间接测试方法。

1)室内测试方法。室内测试方法主要包括动三轴试验法、共 振柱法、简单剪切实验和空心圆柱实验法等，这些测试方法都受 试件尺寸与颗粒粒径所限制。动三轴实验法是应用最为广泛的 一种方法。这种方法通常是在围压为常数条件下进行，变围压测 试则要求围压与竖向荷载同步改变。由于该测试是在不排水条 件下进行，孔隙压力的数据便无从得知。另外，试件与集料界面 的边界效应和摩擦也会影响测试结果。由于实验要求试件直径 至少10倍于集料最大粒径，而标准试件的最大尺寸是〇.15 m,也 就是说集料最大粒径为0.015 m，这显然与级配碎石基层集料尺 寸不符。

室内动三轴试验方法是测试级配碎石回弹模量的有效方法，但是对于工程实践，该方法复杂且不经济，而且能否代表真实工 作状态尚存争论。

2) 现场测试方法。最常用的回弹模量现场测试方法是落锤 式弯沉仪法(FWD)。落锤式弯沉仪在不需要钻芯取样的情形下

给出了一种测试材料回弹模量的间接方法。还有一种较少使用

的用光谱分析技术测试路面刚度的方法。这两种方法的主要缺

陷在于需要借助于公式推导才能获取反映模量的未知参数，这就

使得从测试数据中能提取的有效信息十分有限。

现场测试方法可以克服室内测试方法的缺陷，但是现有现场

测试方法都不能有效解决用以描述这种非线性横向各向同性特

性材料回弹模量的参数。此外，由于测试过程的不可再现性、对

数据分析人员的专业要求和室内/现场测试结果对应关系的不明

确性，都加大了现有直接测试手段的难度。

3) P波测试方法。为克服已有室内测试方法和现场测试方法 的缺点，研究人员开始关注回弹模量间接测试的方法。Douglas®

基于应力层分析成像原理，建立了级配碎石基层非线性回弹模量

的P波测试方法。P波的传播速度能够反映非饱和集料骨架的刚

度特性，基于这一原理，Douglas给出了一种新型的测试级配碎石

基层回弹模量的间接方法。

在非饱和级配碎石介质中，P波沿传播方向的速度与其有效

应力之间存在着如下关系：

其中，^为P波沿水平方向的传播速度;a为当<=1kPa

时的为P波对应力敏感性大小。

P波速度与材料回弹模量之间存在着如下关系：

M=p(V P)2(2)其中,P为级配碎石介质的密度。

综上，我们就可以得到不同应力水平下回弹模量的取值：

(3)

根据式(1) ~式(3)，我们就可以设定相关实验，通过测定不

同应力水平下P波的传播速度反算出该应力水平下材料的回弹

模量。

1.2级配碎石本构模型研究

各向同性线弹性材料的力学特性,可用弹性模量£；和泊松比

^两个参数描述，横向各向同性线弹性材料需要五个参数进行描

述。而对于级配碎石这种回弹模量与应力水平有关的非线性弹

性材料，需要更多的参数。因此级配碎石本构模型的建立，需要

兼顾最简化计算与最优化预测两个互相矛盾的方面。

当前用以描述级配碎石基层本构关系的模型如表1所示。

收稿日期:2016-04-26 ★:国家级大学生创新创业训练项目计划（项目编号:201510710001)作者简介:裴仪（1995-),女，在读本科生

第42卷第19期2 0 1 6年7月

裴仪:倒装结构路面研究进展

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表1

级配碎石本构模型综述

模型

参考文献E R = h

(^~)k2

Po

文献[3]心=^(丄)幻

尸0

文献[4][5]E R = k l + k2S + A ：3 (E C ) + ^logp

文献[5]= ^

(十)i 2

文献[6]=^l +^2^" + k ^diTANteLruf ) +k^p

文献[7]E R = k l {-^-)k 2\\

-k ^-2-)kA

P q L

9/ 」

文献[8]

P

+2〇-3) ,q = 〇-l

-〇-3

根据获取模型方法的不同，可将上述模型分为两类：1) 通过统计学原理建立的回弹模量与各影响因素之间的回

归方程。如Rada 和W itC Z ak [5]通过回归分析得到的回弹模量与饱和度5、压实功和平均应力；> 之间的函数关系式，以及Za -

man 等[7]建立的回弹模量S s 与粘结力C 、第一主应力q 、摩擦角

令和平均应力P 之间的函数关系式。

2) 以力学理论为基础从材料内部机理出发建立的本构方程。

代表性的如Van Niekerk 等[8]建立的回弹模量&与平均应力户、 归一化应力/>。、偏应力g 和极限偏应力^■之间的函数关系式。

在本构模型参数确定时，既要保证能满足材料的物理特性又 要充分提取获得数据的信息。因而，上述两种建模方法各有优 劣：回归分析充分利用了实验数据所反映的各个参数之间的数量 关系，但受实验条件所限制，当所表征材料的材料特性与获取实 验数据时选用材料不同时，往往会有很大的出人,而力学模型在 这方面有着较大的优势。

因此，如能将两种方法相结合，就能得到应用更为广泛更能

真实反映材料实际工作状态的方法。Douglas 借鉴信息论的相关 方法实现了二者的融合，给出了一种表征级配碎石材料非线性弹 塑性横向各向同性力学性能的本构模型：

=^(^)42[

Po L q f 」(4)=

=^5内知[Po L

叫

qf J

(5)(T =k 9(^)h0\p 〇 L 1-^

(予)叫

(6)qf = EaP

,3sin (f )

3 - siruf ))p + (^^r)C 5 - costp

(7)

其中，

均为常数;;)。=1 kPa 。

2倒装结构路面结构分析

倒装结构路面可以大大减小面层底部裂缝的应力强度因子，

有效减缓基层反射裂缝向上的扩展，但是由于级配碎石层的加人，

整个沥青路面结构在荷载作用下产生的非线性应力和应变关系的 特征更加明显，受力发生了很大变化，就不能照搬以前半刚性结构

的经验，因此，有必要对倒装结构路面从结构上深人分析，研究不同 参数对结构受力的影响，为结构组合设计提供理论支持。

倒装结构路面级配碎石的回弹模量与应力状态有关，基于线 弹性假设的传统路面结构分析方法不能正确反映级配碎石材料 的这一特性，因此，不能用于倒装路面的分析与设计。运用有限 元方法中用户材料自定义子程序，可以准确表述级配碎石基层横 向各向同性非线性弹塑性的本构关系，进而准确分析倒装结构路 面在荷载作用下各结构层力学响应，为认识和设计倒装结构路面

提供理论依据。

有限元方法用于路面结构分析始于20世纪60年代,并形成 适用于不同结构情形的程序代码。目前国内外已有众多学者尝 试运用有限元的方法对倒装路面结构进行分析。王春明[9]运用 有限元方法，对倒装结构路面温度场的时空分布进行了数值模 拟，结果表明，在半刚性基层上铺筑级配碎石和沥青碎石,可改善 基层顶部的温度变化幅度及基层内部温度梯度，进而减小半刚性 基层温缩引起的反射裂缝。王宏畅和黄晓明[1°]利用ABAQUS 建 立了 20节点等参立方体单元的有限元模型，采用奇异等参元法 与断裂力学理论，计算分析了倒装结构沥青路面反射裂缝的扩展 规律，并采用裂纹形成和裂纹扩张两阶段法预估其疲劳寿命，研 究表明级配碎石层可提高沥青路面反射裂缝疲劳寿命，为倒装结

构路面的应用提供依据。

Efthymios 和 Juan _ 以 Hertzian 型指数方程：E ^k A ^l i -k A ^)14]

(8)

P 〇 L qf J 作为级配碎石材料的本构方程，在ABAQUS 中建立三维有限 元模型，研究了不同材料参数的变化对倒装结构路面性能的影 响，数值模拟结果表明，对于给定倒装结构路面，存在一个最佳的

沥青面层厚度使得反射裂缝达到最小。王亮[12]将级配碎石基层 模量分别取值为200 MPa ，

300 MPa ，400 MPa 和500 MPa ,通过有 限元计算，对比分析了不同级配碎石基层力学参数取值对倒装结 构路面面层层底应力、层内剪切应力和基层层底应力的影响，并 以此为依据探讨了倒装结构路面的厚度设计。

3总结与展望

本文介绍了级配碎石回弹模量测试方法和本构模型，阐述了

以有限元为基础的倒装结构路面结构分析。可以看出，国内外对 于级配碎石的研究尚不成熟，对于以级配碎石为中间层的倒装结 构路面分析、设计与应用也尚处于起步阶段，有待于众多学者们 今后的进一步研究，对倒装路面后续的探索，我们可作如下展望：

1)

级配碎石作为倒装结构路面结构层的重要组成材料，是一

种典型颗粒类松散材料，从微细观尺度对它进行力学分析，建立

微观力学与宏观性能的关系，是我们今后研究工作的一个新 方向。

2) 现有级配碎石室内、现场测试方法都存在很多缺陷，对其 测试新方法、新仪器的开发也有待进一步探讨。

3)

进行倒装结构路面有限元数值模拟时，需采用准确描述级

配碎石材料横向各向同性非线性弹塑性的本构模型，以准确分析 倒装结构路面在荷载作用下各结构层力学响应，为认识和设计倒 装结构路面提供理论依据。参考文献：

[1] 杨斌，陈拴发,王秉纲，等.级配碎石裂缝缓解层防裂机理

及足尺疲劳试验[J ].公路交通科技，2006,23(12) :37-40.[2] D . D . Avellaneda . Inverted base pavement structures [ D ]. At ­lanta ： Georgia Institute of Technology ,2009.[3] C .

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