冲击荷载作用下砼路面的损伤演化_丁加俊

冲击荷载作用下砼路面的损伤演化

丁加俊

（）永升建设集团有限公司，新疆克拉玛依　８３４０００

摘要：简述了砼损伤力学的研究现状和试验方法；通过建立有限元模型，重点对复合铺装结构应力进行研究，分析了在汽车冲击荷载作用下不同初始损伤情况下路面的损伤演化，给出了砼路为公路工程理论研究提供借鉴。面裂缝问题的解决方案，

关键词：公路；沥青砼路面；应力分析；损伤演化；冲击载荷

（）中图分类号：Ｕ４１６．２１６　　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　　　文章编号：１６７１－２６６８２０１６０５－００８３－０３

沥青砼路面在　　得益于沥青砼优秀的路用性能，

全世界都得到了较为广泛的应用。沥青砼的路用性能由原材料的生产工艺、使用状况及材料品质决定。公路沥青砼的结构设计主要根据砼的力学性能。随公路研发试验技术的成熟，对砼着交通运输的发展，

弯曲性能及应力分析等力学性能的分析抗压性能、

更加深入。相关试验结果显示，砼路面在实际承受交通载荷时，砼内部会出现不同程度的损伤，进而产伴随着生裂纹。在裂纹顶端开始形成细小的缝隙，进一步的载荷作用，裂缝进一步扩大延伸，将贯穿整个砼路面而形成断裂。

这是试验研究中遇到的最基本问题。对于的要求，

砼内部损伤位移量的检测目前还没有较为成熟的方法，测试过程也比较困难，在较为复杂的受力情况下，检测数据的准确性不够高。试验过程只是向着许多分析模型只是根据现有试验的结果数据靠近，经验来实施。

２　冲击荷载下路面损伤演化

２．１　建立有限元模型

采用ＡＮ研究对ＳＹＳ分析砼结构的力学性能，象取整块砼路面。砼路面第一层长度设计为７．３５宽度为５．高度为０．第二层长宽尺寸ｍ，５ｍ，３５ｍ；

同第一层，厚度为０．材料为水泥和砂砾含量２２ｍ，第三层设计长度为１宽度为７ｍ，厚度为８％；５ｍ，

材料为石灰和土层；最后一层为土层，该层０．２９ｍ，设计尺寸较大，能满足实际冲击载荷的作用，设计长度为２宽度为２厚度为９ｍ。所有尺寸数５ｍ，５ｍ，据均根据实际载荷作用数据设计相应的冗余量。假定没有被破坏的断层，并采用特殊材料连接各层。该试验条件下的有限元模型见图１。

１　砼损伤力学研究现状和试验方法

对砼力学性能的研究表明，砼抗拉强度十分低，这源于砼产生损伤后内部含有断层和裂纹。砼本身具有脆性材料的一些特性，但砼还具有脆性材料没有的稳定的裂纹扩展阶段，所以只能将砼称为介于脆性材料与塑性材料之间的准脆性材料。从砼裂纹的产生与延伸至最终断裂，力学性能的研究是砼损伤问题的核心。整体的沥青砼在承受实际载荷时变形微乎其微，但裂纹的产生具有突发性，并直接形成因此常见的砼破坏都是断裂性破坏。砼的脆性区，

力学计算十分复杂，对内部损伤和破坏的分析更加复杂，这些都源于砼材料的不均匀性，对损伤和破坏过程的研究始终是公路工程的难题。

在砼断裂裂纹形成前，路面的基本性能已受到影响，同时使用寿命也会降低。但断裂力学宏观研究方法无法用于微小裂纹的形成及延伸情况分析。鉴于微小裂纹会对砼材料力学性能产生严重影响，砼损伤力学成为研究损伤现象的重要力学分支。从研究现状来看，现有试验技术并不能达到理论设计

图１　有限元模型三维视图

对该模型自动划分网格，形成微小的六面体小单元，计算时采用六面体小单元进行缩减积分计算

８４（）。见图２

０１６年９月　　　　　　公　路　与　汽　运　　　　　　　　　２

表２　砼材料拉伸损伤塑性数据

应力／ＭＰａ１．３６　０．４０　０．４０　

开裂应变０．０００　０．００１　０．００５　

损伤０．０００．３００．９９

２．３　不同初始损伤情况下路面损伤演化

砼路面在实际行车环境中主要承受车辆动载

图２　栓钉与钢板应力分布云图

荷、环境温度变化及雨雪天气的影响。在这些外界路面形成不同的损伤裂纹，所有因素集因素作用下，

中作用在路面上才会使路面形成损伤，这是一个复杂作用的结果。考虑到对道路影响最大的实际是车辆载荷，在此排除影响较小的因素，只对车辆冲击载荷作用进行研究。一般路面设计承载能力远大于车但考虑到长期作用下路面会产生疲劳，对车载载荷，

辆实际加载下路面的载荷分布进行研究。简化研究模型后，根据主要影响因素进行试验。但这里不对损伤进行实际的数据计算，只是通过分析软件进行初始损伤分布研究。

为简化模型，假定车辆都是直线行驶，且作用面为固定的两条作用带。该模型参考实际运输货车的车型尺寸设计，货车标准尺寸为轮距１．车轮宽９ｍ、度０．设计３ｍ。所有车辆均按图４所示轨迹行驶，／汽车行驶速度为１５ｋｍｈ。

由图２可以看出：在实际冲击载荷作用下，砼破坏是非线性的，对损伤研究影响最大的是各种实际加载方式。为了模拟真实的载荷作用，采用冲击载荷并选择多个函数模型进行模拟计算，得到多参数）。幅值－时间曲线（见图３

图３　多参数幅值－时间曲线

２．２　设置材料属性

根据测试的实际曲线可计算出砼的弹性模量为，泊松比为０．３５．２ＧＰａ１５８。砼材料的实际损伤塑

拉伸损伤数据见表２。表１中对砼应性参数见表１，

力、非弹性应变和损伤数据进行了对比，表２中对砼应力、开裂应力和损伤数据作了对比。

表１　砼压缩损伤塑性参数

应力／ＭＰａ２９．５　３５．９　３９．０　３９．８　３９．１　３７．４　３５．１　２６．９　１８．３　３６．３　

非弹性应变０．００００　　０．０００４　　０．０００８　　０．００１３　　０．００１８　　０．００２５　　０．００３２　　０．００４１　　０．００５３　　０．００７０　　

损伤０．０００００　０．１０３６６　０．１９７４７　０．３０２２７　０．３９４７５　０．５０６２７　０．５９９８９　０．６９８５２　０．７９９８３　０．９００１０　

图４　实车载荷的行进路径标准

在最初始的情况下路面还没有受到损伤，这种情况下进行加载试验在路面的各层都很难形成裂纹会使路面层或损伤。但由于会形成局部的拉应力，

形成垂直方向的道路裂纹，随着载荷的增大裂纹会迅速增大、延伸，最后导致路面破坏。

当初始情况为较小损失时，车辙正下方存在两，条较大应力带，最大应力可达１０．８ＭＰａ４个角点处的应力值较小。由于车载情况沿道路规则分布，该问题可简化为平面应变问题，两排车轮间的区域

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丁加俊：冲击荷载作用下砼路面的损伤演化

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受到的弯矩较大，该区域出现沿ｘ方向的较大应力，路面层底层出现损伤直至裂缝，但损伤程度不会延伸到路表面，不存在可见裂缝。最大路面沉降出可达３．现在路中心，６ｃｍ。

当初始情况为较大损伤时，车轮两侧将存在很大的压应力和剪应力，产生明显的应力集中现象，面板中央处的挠度最大。此时，冲击后的损伤十分严将形成网状裂缝分布，土重，ｙ方向局部裂缝扩张，体发生破坏，体积膨胀，但并未出现明显沉降。

路面承受较大的冲击载荷时，路面会形成网状裂纹分布，但这种应变速度较快，影响了新生裂纹的产生。参考文献：

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］动力损伤本构模型［清华大学学报：自然科学版，Ｊ．（）２００３，４３８．收稿日期：２０１６－０１－２７

３　结语

路面的损伤演变最重要的因素是初始损伤的形成，没有初始损伤时在路面各层都不会产生垂直方向的裂纹，有时可能会产生垂直裂纹但发展十分缓慢，对整体道路不会造成很大影响。当该方向的裂纹达到断裂式程度时才会产生横向裂纹，使路面迅速破坏。现有公路技术研究分为三方面，一是对整个路面铺设力学性能进行计算分析，形成相应的合格指标参二是对道路整体结构进行应力分析，采用有限元数；

分析法，探究道路最大应力点及其分布；三是对实际主要对沥青层载荷作用下路体结构进行有限元分析，

和砼交界层等进行应力分布研究。路面冲击载荷研究结果表明初始损伤会影响路体损伤分布和发展，当

櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙（上接第６进行修理和维护。７页）新型交通安全设施也将朝规范化、创新化、信息化和智能化方向发展。

规范化是指从交通安全设施设计和材料使用等方面的标准化进行研究，为规范后续施工提供支持。在设计方面，增加地理位置、受力结构和气候等因素的影响；在美观等方面，增强其与高速公路周边环境在材料使用方面，规范所使或中央绿化带的美化性；用材料和施工技术。

创新化是指不断探索新材料、新工艺，并将其应用到交通安全设施上。在新材料方面，通过不断加探索更加耐磨、更具防撞性能的材料；大研究投入，

在新工艺方面，不断探索新的工艺流程，提高安全设备的性能。

信息化就是利用计算机技术、通信技术等，结合相关软件系统形成信息化管理平台，实现高速公路网上各路段交通安全设施实时监控，在安全设施出现故障时通过信息化系统自动并及时通知相关部门

收稿日期：２０１６－０５－０９

智能化是指利用机器学习、图像处理和人工智能等新技术，结合ＧＰＳ数据等信息实现安全设备的自我检查，实现对人工检修非常危险的路段（如悬崖、桥梁、隧道等）安全设施的检查，保障交通安全设施安装和维护人员的安全。参考文献：

［］我国高速公路交通安全设施现状与发展方向１　彭宇．

［］（）交通世界：运输．车辆，Ｊ．２０１５１２．

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（）华南理工大学学报：自然科学版，２０１５，４３１．［］刘伟铭，黄玲，等．基于加权欧氏距离度量的目３　谭飞刚，

］标再识别算法［华南理工大学学报：自然科学版，Ｊ．（）２０１５，４３９．

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