修补尺寸沥青路面坑槽补缝力学研究

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摘要：本文采用Goodman零厚度摩擦接触单元模型，计算了不同修补尺寸条件下各补缝界面最大拉应力和最大剪应力，探讨了各补缝界面力学指标随摩擦系数的变化规律。

关键词：道路工程；修补尺寸；摩擦系数；坑槽修补；Goodman模型

一、引言

在不同气候环境条件下，路面承载能力受到交通量剧增、超载现象严重等外界因素的影响，沥青路面坑槽修补材料及界面会出现高温抗剪切、低温开裂及耐久性不足等问题。本文采用Goodman无厚度接触面单元理论模型模拟坑槽修补现场实际工况，通过ABAQUS数值模拟软件计算坑槽补缝界面处最大拉应力和最大剪应力分布情况，分析不同界面摩擦系数下各力学指标演变规律和差异，为坑槽修补措施制定、界面粘结材料设计与研发提供借鉴和依据。

二、有限元模型建立

（一）模型构建各路面结构层及其材料参数取值参照西北地区某一级公路建设标准，主要由沥青混凝土面层（包括坑槽修补层，本模型仅研究坑槽面层修补）、水泥稳定碎石基层和底基层、土基部分组成。路面结构层设计参数见表1。

（二）计算参数选取根据沥青路面设计规范要求，标准轴载为BZZ-100，轮胎接地压强采用0.7MPa，双轮中心距为31.9cm，水平荷载取0.35MPa。坑槽补缝界面接触状态采用完全连续和半接触半分离两种状态，其中完全接触状态表示无坑槽时的连续介质，采用Cont表示；半接触半分离状态通过修补块与原路面之间摩擦系数μ定义，μ的取值分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0，其余位置处面层与基层、基层与底基层、底基层与土基之间的接触状态定义为完全连续。为保证计算精度，提高计算效率，试算确定模型整体规格为4m×4m×4.5m，采用线性减缩积分六面体单元C3D8R。修补层厚度取值与原路面层相同，均为9cm，根据实际修补块大小选择三种修补面积（长×宽）为100cm×200cm、100cm×100cm、200cm×100cm，即长宽比δ分别为0.5、1.0和2.0三种工况下的补缝界面处力学性能变化规律。

三、结果与分析

由于修补块与原路面接触面积相对较小，当行车荷载长期作用于修补结构时，纵向接缝和横向接缝界面因抗剪不足和受拉超过界面粘结料抗拉阈值而出现剪切脱粘现象，在雨雪水不断渗入的情况下，逐渐由微观裂缝演变为宏观龟裂、坑槽等路面常见病害。经过试算，确定纵缝界面提取拉应力值最大，轮载内边缘处的补缝界面处存在最大剪应力值。因此，本次应力值按上述出现最大值位置提取。

（一）修补尺寸对补缝界面最大拉应力的影响将上述三种工况结果整理汇总后，得到不同修补尺寸下最大拉应力随补缝边界摩擦系数的变化规律，如图1所示。图1计算结果表明：1.不同接触状态时，纵向补缝处最大拉应力变化显著，即摩擦系数为μ=1.0时，界面最大拉应力是完全连续状态时的2～9倍。究其原因，连续接触状态条件下沥青路面结构层不存在坑槽病害，基体混合料之间完全连续、均匀分布，由此荷载作用下产生的拉应力处于连续传递、分散状态，理论上不存在应力集中和传递阻断现象，因此具有较大的受荷能力与较强的传递、分散荷载能力；而半结合状态下，路面结构层与坑槽补块之间仅由粘层油连接，存在修补界面处于不完全连续状态，补缝界面之间的应力传递和分散主要通过侧壁集料嵌挤效应和粘结作用完成，因此其荷载传递不连续，分散能力较差，存在应力损失现象。2.随着沥青路面坑槽补缝界面粘结状态越来越差，不同修补尺寸下的最大拉应力呈非线性增大趋势，完全脱粘状态下的最大值接近0.4MPa，而纵缝底部，随着摩擦系数的逐渐减小由压应力过渡变化为拉应力，当μ=0.5左右时，存在中性点，即处于无应力状态；摩擦接触模型下，纵缝最大拉应力的修补尺寸效应明显，补缝顶部最大拉应力随长宽比的增大先减小后增大，而底部最大拉应力则随长宽比的增大先增大后减小。

（二）修补尺寸对补缝界面最大剪应力的影响不同修补尺寸下，最大剪应力变化规律如图2所示。1.连续接触模型下，不同修补尺寸的修补块表面和底面最大剪应力均不超过0.14MPa，且与修补块底面最大剪应力相比，其值在表面处大于2倍，由此可见，在水平荷载的情况下，应考虑修补结构最大剪应力最不利的位置上移至路表，补缝顶部密封处应以防渗水、开裂等病害为主要处置方向来制定防治方案。2.修补尺寸效应对坑槽补缝界面剪应力影响较大，当修补尺寸为100cm×100cm×9cm时，在修补块处于完全不连续接触状态下，其表面出现最大剪应力峰值0.16MPa，因此，在实际工程中应根据坑槽破坏形状，尽量将修补块切割为矩形，避免正方形补缝界面形成较大的剪应力，在行车荷载作用下坑槽补缝界面发生二次剪切破坏。

四、结语

与连续接触模型具有较强的承载、传递和分散荷载的能力相比，摩擦接触模型的荷载传递特征表现为不连续，分散能力较差。因此，在进行坑槽补缝界面力学分析时，采用半结合状态的路面力学计算方法更为合理。在不同修补尺寸的条件下，最大拉应力和剪应力均出现在纵缝顶部和轮载内边缘表面处。当修补块处于完全脱粘状态时，修补尺寸为100cm×100cm×9cm的沥青路面坑槽补块表面出现最大剪应力峰值0.16MPa；当修补尺寸一定时，补缝界面最大拉应力随摩擦系数的逐渐减小呈非线性增加趋势；当μ=0.5左右时，纵缝底部存在最大拉应力变化中性点。

作者：奚鹤 单位：新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院