张勇博

摘 要：为了分析层间结合状态对沥青路面疲劳性能的影响，从实际路面的层间状态演化过程出发，利用数值模拟软件，计算分析层间结合状态改变后沥青面层层底拉应力的变化规律，并分析了层间状态劣化后路面疲劳性能的衰减机理。结果表明，随着层间结合状态的劣化，沥青面层层底拉应力增加，道路路面结构的整体性下降，沥青路面疲劳性能不断衰减。研究结果可为完善道路设计提供理论依据与参考。

关键词：道路工程;沥青路面;层间状态;疲劳性能

中图分类号：U416.217文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0080-03

Abstract： In order to analyze the influence of interlayer bonding state on the fatigue performance of asphalt pavement， this paper starts from the evolution process of interlayer state of actual pavement， calculates and analyzes the change law of tensile stress at the bottom of asphalt pavement layer after the change of interlayer bonding state through numerical simulation software， and analyzes the attenuation mechanism of pavement fatigue performance after the deterioration of interlayer state， With the deterioration of interlayer bonding state， the tensile stress at the bottom of asphalt pavement layer increases， the integrity of the road decreases， and the fatigue performance of asphalt pavement continues to decline. The research results can provide theoretical basis and reference for improving road design.

Keywords： road engineering;asphalt pavement;interlaminar state;fatigue performance

我国沥青路面设计依据弹性层状理论体系，但该理论假设沥青面层与半刚性基层之间是完全连续的，忽略了层间状态对道路性能的影响，而实际沥青路面层间状态处于完全连续与完全光滑之间。早在20世纪60年代就有学者提出，层间不连续会导致道路应力分布不均匀。UZAN J等人通过室内试验得出层间结合状态在道路服役过程中会不断衰减[1]。BIRADER S S等人采用剪切模量这一参数来表征层间结合效果，并通过改变这一参数水平分析層间结合状态改变对沥青路面的应力状态分布[2]。我国学者关昌余等人通过剪切试验得出层间的粘结效果决定着层间抗剪强度的大小[3]。黄优等人在层间力学分析的基础上提出，层间结合状况越好，层间受到的最大剪应力值越小[4]。艾长发等人采用数值模拟软件，分析了温度和荷载耦合作用下的不同层间状态对沥青路面的影响[5]。

1 道路层间结合状态分析

1.1 层间结合状态的演化过程

道路层间结合状态的优良可通过层间抗剪强度的大小反映。层间结合状态越好，层间抗剪强度越大;反之，则越小。理论上，新施工完毕的道路基面层层间结合状态处于无损伤状态，但并不能维持多久。在夏季高温时，沥青路面在重载车辆碾压下会导致层间将承受较大的剪应力。当剪应力大于层间抗剪强度时，层与层之间会发生微小的相对移动，此时层间的粘结效果将受到损伤，层间抗剪强度下降。随着层间抗剪强度的下降，层间剪应力不断增大，而逐渐增大的层间剪应力又会加速层间抗剪强度的衰减，导致层间剪应力和层间结合状态相互影响。层间结合状态损伤，抗剪性能下降，会使层间粘结材料处于不利状态，加剧层间结合状态的损伤。二者互相影响，最终层间损伤将达到极限，导致粘结材料彻底破坏，从而出现层间粘结失效问题。

1.2 实际道路层间结合状态

在道路的使用过程中，层间强度会不断下降。要想在实验室中模拟实际路面的层间结合状态，必须知晓实际路面层间处于何种状态。孙立军等人在对路面病害调查中发现，在路面表面滑移开裂处钻心取样时，出现沥青混合料层与半刚性基层粘结处严重脱落，样芯基面层无粘结材料进行粘结，接触面是光滑的，只剩下上面层和少量中面层连接[6]。钻芯取样统计显示，高速公路70%的样芯都有层间脱空失效现象，其中90%的样芯脱开面上有剥落痕迹。裴旭东通过研究基面层耐久性发现，基面层层间粘结条件在施工完毕时处于无损伤状态，其层间的应力传递不仅依靠集料之间的机械摩阻力，还依靠基面层之间粘结材料的粘结效果[7]。路面经过高温、水分和荷载等多种因素耦合作用后，层间粘结效果下降，层与层之间会产生相对移动与分离，层间的结合状态也由最佳转变为层间失效状态。层间一旦发生粘结失效，行车方向的剪应力和拉应力的传递只能依靠基层与面层之间的机械摩阻力来传递。封基良在进行公路滑移分析时指出，半刚性基层沥青路面基层层间摩擦系数的取值为0.4～0.8，其中基面层滑移粘结失效情况下为0.4，层间无损伤时为0.8[8]。

2 层间结合状态对沥青路面疲劳性能的影响

2.1 层间结合状态对沥青路面力学响应的影响

我国规范中疲劳破坏的控制指标为沥青层层底拉应力，故本文以沥青层层底拉应力为对象，探究层间结合状态改变后对沥青路面疲劳性能的影响。利用ABAQUS有限元软件建立如图1所示的半刚性基层沥青路面复合小梁力学分析模型。各结构层参数如表1所示。在层间设置不同的摩擦系数以實现不同的层间结合状态，从而分析层间结合状态改变后复合小梁层底拉应力变化规律，其中摩擦系数的设置参照封基良的研究[8]。

现汇总有限元模型的计算结果，如图2所示。

由图2可知，沥青面层与半刚性基层在荷载作用下，面层底和基层底的最大拉应力随着摩擦系数的增加而减小。当层间摩擦系数由0.4增加至0.8时，面层层底拉应力下降了22.3%，半刚性基层下降了9.3%。随着层间结合效果的下降，沥青面层层底拉应力不断增加，会导致路面疲劳损伤加剧，缩短路面的疲劳寿命。当摩擦因数从0.8增加到1.0时，面层与基层最大拉应力分别降低了9.4%和2.0%。可见，层间理想的连续状态与实际状态力学响应结果相差较大。因此，在进行路面力学响应分析时，以实际的摩擦系数0.4～0.8进行力学分析更合理。

2.2 路面疲劳寿命衰减机理

现有的设计规范和设计指标体系认为，沥青路面处于完全连续状态。实际上，在荷载、水盐迁移、侵蚀以及温度等多场耦合作用下，层间状态一般介于完全连续和滑动之间。在整个路面运行周期内，层间状态不断演化和损伤，导致路面结构内部应力重新分布。这是沥青路面疲劳损伤加剧的主要原因之一。

图3是荷载作用下复合小梁在不同层间状态下沿梁体厚度方向拉应力的分布情况。当层间结合效果由完全粘结到完全光滑转化时，层底的拉应力会不同程度地增加。究其原因，荷载作用下，上层层底处于受拉状态，当层间完全粘结时，层间粘结材料将基层顶部与上层层底连在一起，三者共同抵抗拉应力，上层层底材料所承受的拉应力就会降低。当层间完全光滑时，层间粘结效果不复存在，上层层底的拉应力将全部由上层层底材料承受，此时上层材料受层间效果影响最严重。

在实际道路中，荷载作用下沥青面层层底出现拉应力。由于层间粘结力和摩阻力的存在，可以限制上下两层之间的相对滑移，有效抑制沥青面层层底拉应变的产生。当基面层间损伤时，抑制沥青层层底产生拉应变的结合效果就会下降，致使沥青层层底拉应变增加。另外，层间无损伤时，粘结效果和摩阻效果的存在可以使沥青层和半刚性基层具有较好的整体性。沥青层层底的拉应力可以向基层传递，而基层材料可以分散沥青层层底的一部分应力。层间损伤后结合效果下降，导致沥青面层与半刚性基层的整体性下降，应力由沥青面层向基层传递的“桥梁”减弱。沥青层层底拉应力向基层传递的能力降低，应力无法扩散传递至基层，此时沥青层承受的应力水平增加，拉应变增大。层底拉应变的增加会导致沥青面层疲劳开裂的加剧。因此，良好的层间结合状态能效降低沥青层层底拉应力和拉应变。随着层间结合状态的损伤，沥青路面疲劳寿命将快速下降，出现疲劳寿命衰减的现象。

3 结论

①实际道路的层间结合状态会随着道路使用时间的增加不断演化并逐渐劣化。层间粘结材料在荷载作用下不断损伤，最终导致层间发生剪切疲劳破坏。实际中，层间摩擦系数的范围为0.4～0.8，其中层间粘结失效时为0.4，层间无损伤状态时为0.8。

②随着层间摩擦系数的增加，半刚性基层沥青路面复合小梁的沥青层层底和半刚性基层层底的拉应力均不断减小。当层间摩擦系数由0.4增加至0.8时，面层层底拉应力下降了22.3%，半刚性基层下降了9.3%。

③层间结合状态劣化后，路面结构的整体性下降，层与层之间的应力传递能力下降，导致沥青面层层底拉应力增大，加剧了沥青路面的疲劳开裂，致使路面疲劳寿命下降。

综上所述，良好的层间结合状态可以有效降低沥青面层层底拉应变，延长路面疲劳寿命。

参考文献：

[1]UZAN J，LIVNEH M，ESHED Y.Investigation of adhesion properties between asphaltic-concrete layers[J].Association of Asphalt Paving Technologists Proc，1978：495-521.

[2]BIRADAR S S，ANGADI A，YARAGATTI P，et al.Effect of bond strength on performance of pavement[J].International Journal of Advance Research in Engineering，Science & Technology，2015（6）：2394-2444.

[3]关昌余，王哲人，郭大智.路面结构层间结合状态的研究[J].中国公路学报，1989（l）：70-80.

[4]黄优，刘朝晖，李盛，等.不同层间结合状态下刚柔复合式路面的剪应力分析[J].公路交通科技，2015（6）：32-38.

[5]艾长发，宋姣姣，王福成，等.界面性质对沥青路面层间抗剪强度的影响试验[J].公路，2016（2）：1-5.

[6]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2005：113-114.

[7]裴旭东.沥青面层与基层层间粘结强度和耐久性变化规律研究[D].西安：长安大学，2013：79-84.

[8]封基良.新疆油田公路层间滑移分析[D].西安：长安大学，2000：36-38.