2016, Vol. 48
水泥混凝土桥桥面铺装典型结构由水泥混凝土调平层、防水粘结层和沥青铺装层组成[1]. 近年来，随着车速的普遍提高和货车载重量的增加，由水引起的早期病害在桥面铺装常见病害中所占比重越来越大[2-3]. 桥面铺装水损害，主要是指桥面铺装表面自由水在车辆荷载作用下产生动水压力，并逐步穿透集料表面沥青膜，导致沥青膜从集料表面脱落、集料间丧失粘结力，或者水分直接渗入调平层，腐蚀调平层配筋而产生破坏的过程[4]. 铺装结构上动水行为有两种方式[5]：一是铺装层表面自由水在车辆荷载作用下产生的表面动水压力；二是通过空隙或裂缝渗入铺装层内部的自由水，在车辆荷载作用下产生内部动水压力，两种方式同时作用，加速铺装结构破坏.
关于动水压力的试验测定，目前还没有一种准确、规范且被广泛应用的方法，相关研究主要采用有限元法[6]. 同时，现阶段关于桥面铺装动水行为的研究，主要集中在表面动水压力以及结构层层间动水压力[6-7]，对于沥青铺装层内部动水行为还鲜有研究. 为此，本文将在铺装结构内部动水压力破坏机理及影响因素分析的基础上，采用LS-DYNA有限元分析软件，建立桥面铺装沥青铺装层内部饱水裂缝模型，对内部动水行为进行流固耦合仿真模拟.
1 内部动水压力作用机理及影响因素已有研究[4, 8-9]成果表明，内部动水压力对铺装结构的破坏作用远大于表面动水压力. 表面动水压力的作用更多体现在将表面自由水，通过空隙或微裂缝压入铺装结构内部，然后在内部动水压力的作用下使沥青铺装层相继出现斑状泛油、内部松散、开裂、坑槽等病害[10]. 内部动水压力首先会击穿集料表面的沥青膜，造成沥青结合料与集料的粘附性降低，严重时甚至从集料表面剥落而成为自由沥青在水中自然上浮，自由沥青在车辆轮胎经过和离开时产生的冲刷和真空抽吸作用下[10]，逐渐向铺装结构表面迁移、积聚并形成斑状泛油现象.
随着自由沥青的向上迁移，沥青铺装层内部集料间的粘结力、沥青混凝土强度都会逐渐降低，且泛油越严重，粘结力与强度的丧失就越多. 此时，在车辆荷载以及温度荷载的作用下，铺装结构内部松散或表面开裂就出现了. 铺装结构内部松散的发生使沥青铺装层的有效厚度减小，降低了桥面铺装的整体抗力. 随着内部松散的继续发展，沥青铺装上层会出现裂块很小的开裂，开裂进一步加快了沥青铺装下层的松散进程，并最终导致沥青铺装层出现坑洞. 所以，沥青铺装层出现的斑状泛油、内部松散、开裂和坑洞是一个完整的水损害过程，这是动水压力没有穿透沥青铺装层时的情况. 当沥青铺装层存在贯穿裂缝或整体空隙率太大时，动水压力将穿透整个沥青层到达混凝土调平层表面，当调平层因为干缩或温缩而存在裂缝时，水会进入调平层并腐蚀调平层钢筋，进而使调平层产生更大的开裂. 同时，动水压力对调平层的冲刷作用还会带走部分细料，在车辆轮胎过后的抽吸作用下细料被带至表面形成泛白病害，影响汽车驾驶员的观感. 国内外基于多孔介质理论的研究发现，车速和荷载是影响路面结构内部孔隙水压力的最主要因素[4, 7]. 因此，本文着重分析车速和荷载对铺装结构内部动水压力的影响.
2 模型的建立及参数的设置 2.1 模型及边界条件本文运用LS-DYNA有限元分析软件，对存在于沥青铺装上层中部的饱水裂缝建立二维有限元模型，微裂缝长度取为0.008 m，与水平方向倾角为10°，采用ALE(arbitrary La-grangian-Eulerian)流固耦合方法进行分析. 由于裂缝尺寸微小，为了尽可能减小模型边界条件对计算结果的影响，经各方面综合考虑及试算[6]，将模型尺寸取为0.1 m×0.04 m. 模型中，水和沥青铺装上层材料均采用实体欧拉单元，同时采用*MAT_NULL空白材料模型来模拟动水压力的作用. 沥青铺装及裂缝模型如下图 1所示.
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图 1 裂缝分析模型及网格划分 Figure 1 Fracture analysis model and mesh generation |
计算时，模型中的自由水选用Gruneisen状态方程，水压力方程为
| $P=({{\gamma }_{0}}+\alpha \mu )E+\frac{{{\rho }_{0}}{{C}^{2}}\mu \left[ 1+1\frac{{{\gamma }_{0}}}{2}\mu \frac{\alpha }{2}{{\mu }^{2}} \right]}{\left[ 1({{s}_{1}}1)\mu {{s}_{2}}\frac{{{\mu }^{2}}}{\mu +1}{{s}_{3}}\frac{{{\mu }^{3}}}{{{\left( \mu +1 \right)}^{2}}} \right]}.$ | (1) |
式中：C为us-up曲线截距，在此取C=1 480 m/s；s1、s2、s3为us-up曲线斜率系数，分别取s1=2.56，s2=-1.986，s3=0.226 8；γ0为Gruneisen常数，取γ0=0.50；α为γ0一阶体积修正；μ=ρ/ρ0-1；E=2.859×10-6[11].
模型中沥青铺装层密度取2 400 kg/m3，厚度为4 cm，弹性模量取1 400 MPa，泊松比取0.25，模型中各材料单元均采用Plane162. 模型边界条件设置为：左右两侧边界无约束，下边界为全约束，即认为沥青铺装下层、混凝土调平层和桥面板对裂缝区域受力无影响，而模型上边界施加均布车辆荷载[6].
2.2 车辆动态荷载描述目前，对于桥面铺装结构的受力分析多以静荷载为主，而实际情况则是在车辆行驶过程中，铺装结构表面的不平整会使车辆轮胎对铺装结构产生振动冲击作用，进而使轮胎的接地压力瞬间增大，加速铺装结构的破坏. 黄立葵等[12]对车辆动荷载进行了深入研究，建立了荷载与平整度、车速的关系，并提出了动荷系数的概念，其计算公式为
| $D=a\sqrt{v}+1.$ | (2) |
式中：D为动荷系数；v为车速，km/h；a为表征路表平整度的量，新建路面取a=0.035.
为了尽可能真实的模拟车辆动荷载的作用，本文应用稳态正弦波动荷载来表征车辆动态荷载，计算公式为
| ${{p}_{t}}={{p}_{\max }}\sin (\pi \frac{t}{T}).$ | (3) |
式中：pt为不同时刻的车辆荷载，MPa；pmax为动荷载峰值，MPa，由pmax=p·D来确定，其中p为静荷载；T为荷载作用周期，s，由T=12R/v来确定，其中R为轮胎接地等效圆半径，v为车速，60、80、100、120 km/s车速所对应的荷载作用周期分别为0.076、0.057、0.046、0.038 s. 不同静荷载条件下的荷载峰值见表 1所示.
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表 1 不同静载条件下的动载峰值 Table 1 Peak value of dynamic load under different static load conditions |
根据前文建立的流固耦合模型、设置的边界条件以及施加的动态荷载，分别在不同车速、不同荷载条件下，对沥青铺装层中的微裂缝进行受力分析. 以标准荷载0.7 MPa、速度100 km/h为代表，图 2～4为模型的应力分布云图.
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图 2 X方向拉应力分布云图 Figure 2 Distribution of tensile stress in X direction |
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图 3 Y方向拉应力分布云图 Figure 3 Distribution of tensile stress in Y direction |
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图 4 剪应力分布云图 Figure 4 Distribution of shear stress |
由应力分布云图可知，车辆动载作用下，当铺装结构内部存在微裂缝时，裂缝周围及尖端部位将出现应力集中现象；铺装结构X、Y向最大拉应力出现在裂缝上下部，最大压应力和最大剪应力则均出现在裂缝尖端部位，这些力均有将微裂缝进一步撕裂、使裂缝增宽、增长的趋势. 同时，裂缝尖端4个单元的受压情况与动载的变化情况密切相关，其中尚未开裂的两个单元所受X、Y向压应力远大于已开裂的两个单元，这说明尚未开裂两个单元极有可能被撕裂而使裂缝进一步扩大.
以上分析是在代表荷载和代表车速下进行的，为了进一步分析车速、荷载对铺装结构受力的影响，下面分别在不同车速、不同荷载条件下对模型的受力情况进行分析. 不同条件下裂缝尖端X、Y向最大压应力如图 5所示.
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图 5 不同荷载不同速度条件下X、Y向压应力变化情况 Figure 5 Changes of X and Y direction compressive stress under different load and speed conditions |
由图 5可知，不同速度下，随着静荷载的增加，X、Y向压应力均呈线性规律增加，以100 km/h速度下的压应力为例，1.5 MPa静荷载下X、Y向压应力分别为0.461、1.075 MPa，较0.7 MPa下的0.215、0.502 MPa分别增加了114%、115%；当静荷载一定时，压应力同样随着速度的增加而增加，以1.3 MPa静荷载下压应力为例，120 km/h速度下X、Y向压应力分别为0.409、0.954 MPa，较60 km/h下的0.376、0.877 MPa分别增加了9%、8%.二者相比，静荷载对压应力的影响更大，因此要严格控制超载、超限车辆的通行.
由前文计算可知，微裂缝最大压应力出现在裂缝尖端尚未开裂的两个单元上，由于压应力的方向与模型中坐标轴的方向相反，因此X、Y向压应力均有使裂缝扩大的作用. 在100 km/h速度、1.3 MPa静荷载下，X、Y向最大压应力分别高达0.399 MPa和0.932 MPa，微裂缝在如此大的压应力反复作用下会迅速扩大，加速铺装结构的破坏，减少桥面铺装的寿命.
不同条件下裂缝尖端最大剪应力图 6所示. 由图 6可知，裂缝尖端最大剪应力与压应力有着相似的变化规律，即随着静荷载和车速的增大而增大，且剪应力与静荷载和车速均呈线性规律变化，两者相比，静荷载对剪应力的影响较车速更大. 在100 km/h速度、1.3 MPa静荷载下，裂缝尖端最大剪应力达到了0.306 MPa，微裂缝在如此大剪应力反复作用下同样会迅速扩展，加速铺装结构的破坏.
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图 6 不同荷载不同速度条件下剪应力变化情况 Figure 6 Changes of shear stress under different load and speed conditions |
为了进一步分析铺装结构微裂缝的受力情况，表 2列出了对裂缝的扩展影响较大的Y向最大拉应力pY在不同车速条件下的变化情况.
由表 2可知，当静荷载一定时，不同速度下裂缝周围Y向最大拉应力几乎不变；而车速一定时，随着静荷载的增加，拉应力也呈增加趋势变化，以100 km/h速度为例，1.5 MPa静荷载下拉应力为0.074 MPa，较0.7 MPa静荷载下的0.034 MPa增加了118%，这说明荷载水平是影响裂缝周围拉应力的主要因素. 同时，微裂缝周围所受Y向拉应力较裂缝尖端压应力和剪应力小一个数量级，因此裂缝周围Y向拉应力不是导致微裂缝扩展的主要原因.
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表 2 不同车速条件下裂缝周围Y向最大拉应力 Table 2 The maximum Y direction tensile stress around the crack under different speed conditions |
1) 车辆动荷载作用下，饱水微裂缝所受最大压应力和最大剪应力均位于裂缝尖端，而最大拉应力则位于裂缝周围，这些力共同促使裂缝进一步扩展.
2) 随着车速和荷载值的增加，饱水裂缝尖端最大压应力和最大剪应力均近似呈线性规律增加，在高达1.075 MPa的Y向压应力和0.361 MPa剪应力的反复作用下，裂缝会迅速扩展，加速铺装结构的破坏；裂缝周围所受Y向拉应力较小，且主要受荷载水平的影响，受车速影响较小，裂缝周围Y向拉应力不是导致微裂缝扩展的主要原因.
3) 导致沥青铺装层内饱水微裂缝扩展、恶化的最主要因素是车辆的超载，交通管理部门应严格限制超载超限车辆的上路.
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