半刚性基层沥青路面层间接触条件问题研究.doc

半刚性基层沥青路面层间接触 条件问题研究 张琪、李宗然 （南通市建设工程质量检测站有限公司） 摘要：我国现行的沥青路面设计规范以层状弹性体系为基础，设计时假定道路各结构层之间的接触面完全连续。然而，工程实践证明，沥青混凝土层与水泥稳定层之间以及沥青混凝土层之间的层间界面粘接比较薄弱，处于完全滑动与完全连续的中间状态，层与层之间通过接触传递应力。这样，沥青路面的实际工作状态与设计理论工作状态不相符合，从而直接影响到路面使用性能的预估，应采用接触模型分析路面的实际工作状态。 关键词：半刚性基层 层间接触 有限元 1.绪论 目前沥青路面通常是多层体系，在研究沥青路面设计方法时，较为理想的力学模型应当是层状体系理论。它较弹性半空间理论更能反映沥青路面的实际工作状况。就设计而言，目前我国现行的沥青路面设计规范是以层状弹性体系为基础。层状弹性体系假定沥青路面各结构层之间的接触面完全连续。为了保证沥青路面的实际工作状态与设计理论工作状态尽量相符，规范要求通过采取技术措施，如在半刚性基层上浇洒透层油，沥青混合料层与沥青混合料层之间设置粘层，精心施工，从而使沥青混合料层与半刚性基层，沥青混合料层与沥青混合料层之间结合紧密形成一个整体。 然而，在沥青路面中，因路面各层的材料不同、施工先后不同，因此，层间界面粘接较薄弱，不能完全传递应力。水泥稳定土或水泥稳定粒料在常温下压实养生即可达到所需要的强度，路面钻芯取样也发现，水泥稳定层之间的粘结作用很强，说明水泥稳定层与水泥稳定层之间的界面可以认为具有较高的粘结强度，上下水泥稳定层可以看作一个整体。而沥青混凝土须在高温下(120℃)压实才能达所需的强度:但是通常热拌沥青混合料的压实温度往往只有110℃左右。有些施工单位但是未能严格执行《公路沥青路面施工技术规范》(JGTF40~2004)，致使基层顶面或路面表面有许多尘土，在下一结构层施工前未能及时清扫，从而影响了路面结构层之间的粘结性能。这样，沥青混凝土层与水泥稳定层之间以及沥青混凝土层之间的粘结很薄弱沥青路面在这种工作状态下，其力学响应就会与原来的设计有所不同，从而直接影响到 路面的力学响应。因此有必要研究沥青路面在层间接触不完全连续的情况下沥青路面的力学响应，并与现行沥青路面设计规范进行比较。 2.接触问题的有限元理论 2.1接触问题概述 接触问题是指研究两个或两个以上物体受载荷作用后产生局部应力和变形的问题。接触问题是典型的非线性问题。力学中传统研究的非线性问题，可归纳为两类:一类称作几何非线性问题，此类问题己在有限变形弹性理论中得到系统的研究;另一类称作材料非线性问题，此类问题已在塑性理论和破坏理论中得到系统的研究。 另外还有一类非线性问题成为近30年来力学界研究的热点，那就是接触非线性问题。它是由边界条件的非线性性质引起的。这主要表现在两个方面:一是接触表面的改变，即自由表面边界的一部分转变为接触面边界，或者反之，由接触面边界放松接触面而蜕变成为自由边界;二是接触面的变形、摩擦和滑移，可能表现出强烈的非线性性质。随着载荷和位移的改变，接触表面可能在滑动状态与粘着状态之间相互转变，同时滑动时的摩擦力也会表现出非线性性质。物体相互接触，随着载荷的增加或减少，在接触面会出现弹塑性变形及塑性卸载情况。这就使得这些可能的接触界面的接触范围和界面上的边界条件在加载过程中出现了不断变化的现象，而且这种变化状态是不可逆的。因而整个结构系统的响应将不再与外部荷载保持线性关系，或者说该问题的解是非线性的。而接触问题与摩擦问题的祸合增加了问题的非线性，这使得求解过程更为困难和复杂。对于这类问题，若要求得解析结果是十分困难的，甚至是不可能的，只能采用数值计算方法，其中非线性有限元方法是目前可以给出这类问题近似解的最有效途径之一。 2.2接触问题有限元分析方法概述 目前的道路计算方法主要基于线弹性层状理论，但土和沥青类材料的应力-应变关系大多呈现出非线性特性，其应变量随应力作用时间而变化，并且在应力卸除后残余一部分不可恢复(塑性)的变形;而且实际路面结构是复杂的，所以很多按弹性理论设计的路面出现了严重的早期破坏。实践证明，荷载作用下道路结构的力学响应是非线性的，为了更加准确地模拟实际道路结构的力学特性，道路工作者开始依据非线性理论研究道路结构的非线性特性。目前，道路工作者研究最多的是沥青路面的材料非线性特性，并取得了很多成果，但道路结构的边界非线性特性(结构层之间的接触非线性特性)没有引起足够的重视。 接触问题数值求解方法的发展，特别是有限元法和以有限元法为核心的CAE技术的快速发展，出现了许多求解接触问题的非经典方法。有限单元法作为解决复杂工程问题的最有效的数值方法，为求解工程中的复杂接触问题提供了极为有利的手段。以有限元为基础的接触问题数值解法，主要可分为直接迭代