曾浩　梁春雨　张桂博　黄慧

作者简介：曾 浩（2001—），硕士研究生，研究方向：道路与铁道工程;

梁春雨（1974—），教授，研究方向：道路与铁道工程;

张桂博（1988—），工程师，研究方向：公路工程;

黄 慧（1984—），高级工程师，研究方向：公路工程。

摘要：考虑季冻区公路水泥稳定碎石基层疲劳性能的影响因素，文章以Ansys软件的Workbench和ncode模块为分析工具，基于室内试验结果对两种级配的水泥稳定碎石标准中梁进行冻融循环和疲劳试验模拟，通过瞬态热应力分析得出了荷载应力比和集料级配对水泥稳定碎石冻融疲劳性能的影响规律。结果表明：冻融会降低水泥稳定碎石的疲劳性能;水泥稳定碎石级配中细集料含量过多，会降低材料的抗冻性能;应力比为0.65时冻融试件的疲劳损伤百分率会显著增大。这说明季冻区水泥稳定碎石基层的疲劳性能要综合考虑应力比和冻融条件的影响。

关键词：水泥稳定碎石;有限元分析;疲劳性能;冻融循环

中国分类号：U416.214

0 引言

路面基层作为道路结构的重要组成部分，是路面结构的主要承重層，其性能的好坏对路面有很大影响。以水泥稳定碎石为铺筑材料的基层由于早期强度高、板体性好等优点在我国应用广泛。但是在季节性冰冻地区，荷载作用和温湿度变化对基层的破坏较大，因此研究水泥稳定碎石基层在冻融条件下的疲劳特性影响规律极其重要[1-3]。

对半刚性基层水泥稳定碎石混合料抗冻性和疲劳性的研究，国内外已取得不少成果，主要集中在冻融或荷载单独作用下对材料疲劳性的影响，对水泥稳定碎石混合料在冻融和荷载共同作用条件下的疲劳模拟研究相对较少[4-6]。一些已建工程由于在设计之初对这方面的要求考虑不足，导致在使用过程中出现较多的冻融疲劳损伤开裂，降低了使用寿命。实际上水泥稳定碎石混合料在反复循环的冻融与外加应力的共同作用下与二者单独作用时的使用性能差异极大[7-9]。

本文采用国内外常用的小梁疲劳试验方法进行疲劳试验，该方法在施加不同应力和应力比的条件下测定对应的疲劳寿命，用S-N曲线来反映材料的疲劳性能，通过Ansys软件模拟在冻融条件下耦合荷载应力情况，对水泥稳定碎石混合料的疲劳性能进行研究。

1.1 原材料

根据实际工程应用并结合本课题研究内容，水泥选用42.5#普通硅酸盐水泥，试验结果如表1所示。各性能指标均满足现行规范的要求。

集料为玄武岩，分别为20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm四档。以粒径4.75 mm划分粗集料和细集料。按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）进行相关试验，试验结果如表2所示。各项性能指标满足《公路路面基层施工技术细则》（JTGT F20-2015）的要求。

研究级配为级配1和级配2，分别为粗集料断级配和骨架密实级配。两个级配都是以粗集料形成骨架，但级配1比级配2的细集料（4.75 mm以下）多，其关键筛孔通过率如表3所示。

1.2 水泥稳定碎石强度测定

通过击实试验、无侧限抗压强度试验、弯拉强度试验测得两种级配的强度试验结果如表4所示。

2 软件和试验方法

Ansys是一款功能模块多、计算精度高的有限元分析软件。本次试验使用Workbench模块进行静力学分析，使用ncode模块进行疲劳性能分析。Workbench平台集成了Ansys的大多数求解功能，求解流程如图1所示。

ncode模块也集成在Workbench平台中，通过读取Workbench的计算结果来进行疲劳分析。求解流程如图2所示。

3 模拟试验过程

本试验模拟样本选择了两组不同级配的骨架密实型水泥稳定碎石标准中梁成型两组试件（试件1、试件2），标准试件尺寸为400 mm×100 mm×100 mm。根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015），无机结合料稳定材料目标配合比设计技术要求基层所需水泥剂量确定为5%，具体级配情况如表3所示。利用Ansys软件，建立模拟试件模型如图3所示。模型单元采用Soild 45单元，尺寸大小为规范要求，试件参数分别参考了实际试验室数据，如表4所示。

（1）模拟试件在室温20 ℃下进行标准三分点加载试验，由试件的弯拉强度确定施加荷载水平。对两个级配的标准中梁试件进行疲劳试验，采取3个应力比进行分析，分别为0.6、0.65、0.7，得到试件的应力应变情况。通过施加Havesine波动态周期性荷载进行疲劳性能分析，得出两种级配试件的疲劳寿命。

（2）采用瞬态热分析的方法，模拟试件进行冻融循环试验。具体步骤参照规范《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的无机结合稳定材料冻融试验方法（T 0858-009），其温度控制曲线如图4所示。

（3）重复五次冻融循环，把冻融后的试件按与标准试件相同的条件进行疲劳加载，获得试件在冻融后相同荷载下的疲劳寿命和损伤云图情况。

4 模拟结果分析

在不同级配、不同应力比情况下，试件的疲劳寿命和疲劳损伤百分率（冻融后减少的疲劳寿命与冻融前疲劳寿命的比值）如表5所示。

（1）由表5可知，相同应力比下，试件1的疲劳损伤百分率更大。经过分析，造成这一现象的原因是由于级配1细集料含量较多，试件内结合水的含量更大，使水凝固成冰的冻胀现象更加明显，应力更大，随着冻融循环的增加，试件强度损失也就更大，因此抗冻能力更差。

同时，在不同应力比条件下，试件1和试件2的变化趋势相似，随着应力比的增大，疲劳损伤百分率逐渐增大。

（2）应力比从0.6增加到0.65时，两种级配试件的损伤百分率增加了近20%，说明在冻融条件下应力比对试件的疲劳寿命影响较大。

而应力比从0.65增加到0.7时，两种级配试件的损伤百分率增加了约6%～7%，可见在應力比达到一定程度后，对疲劳寿命起主要作用的因素是冻融条件。

图5～8分别是试件1应力比为0.6和0.65时冻融前后试件疲劳损伤云图。观察可知，应力比为0.6时斜损伤区域未延伸连接，应力比为0.65时斜损伤区域已经形成角度约为45°的损伤带，损伤带的形成使得材料结构组成发生了变化，试件在荷载的重复作用下更容易扩散裂缝，从而使疲劳性能下降，这也是导致损伤百分率骤增的原因。

5 结语

本研究通过对两种级配的水泥稳定碎石混合料在相同冻融循环次数下的疲劳性能进行有限元模拟，得出以下结论：

（1）冻融循环会不同程度地改变水泥稳定碎石材料的弹性模量，试件极限抗拉强度会下降，在经历荷载作用后，会导致冻融损伤进一步叠加，从而使得试件疲劳寿命下降。

（2）水泥稳定碎石级配中的细集料含量过多，会降低材料的抗冻性能。由模拟结果可知，级配2疲劳损伤百分率较小，更适合在季冻区使用。

（3）冻融条件下应力比对试件的疲劳寿命影响较大，但在应力比达到一定程度后，对疲劳寿命起主要作用的因素是冻融条件。因此季冻区水泥稳定碎石基层的疲劳特性要综合考虑应力比和冻融条件的影响。

参考文献：

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