基于有限元界面模型的路面拼接粘結(jié)行為分析

1、基于有限元界面模型的路面拼接粘結(jié)行為分析馬曉暉, 李立寒（同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092）摘 要：建立新老路面拼接結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，引入界面單元模擬拼接部位界面粘結(jié)劑的特征，根據(jù)界面單元內(nèi)應(yīng)力及張開(kāi)位移，得出了拼接粘結(jié)界面劑的特性參數(shù)與臨界粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，求出了在對(duì)稱荷載作用下拼接結(jié)構(gòu)界面劑的粘結(jié)強(qiáng)度臨界值，粘結(jié)界面破壞時(shí)的最大張開(kāi)位移越大，則在拼接結(jié)構(gòu)中要求的臨界粘結(jié)強(qiáng)度越小。關(guān)鍵詞：道路工程；新老路面拼接界面；界面粘結(jié)劑；粘結(jié)強(qiáng)度；界面剝離模型中圖分類號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（062112062）作者

2、簡(jiǎn)介：馬曉暉（1986）, 男, 博士研究生, 主要研究方向?yàn)槁访婀こ? E-mail: 李立寒（1957）, 女, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)槁访婀こ? E-mail: lhli文章編號(hào)：0253-374X(2010)02Analysis of Pavement Jointing Interfacial Adhesive BehaviorUsing Finite Element Interface ModelMA Xiaohui, LI Lihan (Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Educ

3、ation, Tongji University, Shanghai 201804, China)Abstract: The 3-Dimention finite element model was founded and interface element was employed to simulate the characteristic of the interfacial agent at the jointing position, drawn the relationship curve between the characteristic parameter of the jo

4、inting interfacial agent and the critical adhesive strength, obtained the critical adhesive strength value of the jointing interfacial agent under symmetrical load, shows that the required critical adhesive strength decreases when the maximum opening displacement of the adhesive interface at failure

5、 point increases.Keyword: road engineering; new-old pavement jointing interface; interfacial agent; displacement; adhesive strength; interface delamination model在道路路面擴(kuò)建工程中，新老路面拼接處是最易發(fā)生病害的位置1。新老路面在結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度上存在差異，在拼接處產(chǎn)生附加應(yīng)力；灰塵及表面浮散集料影響新老路面在拼接處的粘結(jié)效果，使得拼接處不能連續(xù)傳遞應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中；拼接處施工機(jī)械不便于工作，使得壓實(shí)度不足2。一旦拼接處發(fā)生損壞，表面水下

6、滲，則會(huì)造成基層底部脫空、路面下陷等嚴(yán)重病害3。因此，新老路面在拼接處的粘結(jié)作用有兩方面的功能，一是增加拼接結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度；二是封閉拼接界面的空隙，形成“嵌縫”作用，阻止表面水下滲破壞道路結(jié)構(gòu)。界面粘結(jié)劑是指在公路路面結(jié)構(gòu)擴(kuò)建工程中，為了增強(qiáng)新老路面在拼接面處的整體性，在新老路面拼接結(jié)構(gòu)界面上所噴灑的粘結(jié)材料4。拼接結(jié)構(gòu)界面劑的損壞有兩種形式，一是所選用界面粘結(jié)劑自身的最大變形小于新老路面在拼接部位的相對(duì)位移而破壞；二是界面粘結(jié)劑與新、老路面結(jié)構(gòu)拼接面之間由于粘附力不夠而失效分離的情況。界面劑的損壞特征如圖1所示。a 相對(duì)位移較小 b 相對(duì)位移較大圖1粘結(jié)結(jié)構(gòu)在外力作用下的變形Fig.1 De

7、formation of adhesive structure under external force我國(guó)高速公路加寬工程剛剛起步，相關(guān)的理論研究無(wú)論在深度還是廣度上都存在著嚴(yán)重的不足。目前的研究主要是關(guān)于地基不均勻沉降方面，新老路面拼接方面則很少，有關(guān)新老路面拼接的粘結(jié)特性方面的研究尚屬空白。因此，有必要對(duì)輪載作用下界面劑在新老路面拼接結(jié)構(gòu)中的受力及變形特性進(jìn)行研究。由于界面劑的受力、變形狀態(tài)無(wú)法在路面結(jié)構(gòu)中觀測(cè)或在試驗(yàn)室內(nèi)模擬，本文采用新老路面拼接結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，以補(bǔ)充試驗(yàn)手段的不足。通過(guò)引入界面單元模擬界面劑，對(duì)拼接結(jié)構(gòu)在輪載作用下的粘結(jié)強(qiáng)度特性進(jìn)行分析，以期為新老路面結(jié)構(gòu)界面粘

8、結(jié)劑材料選擇和性能評(píng)價(jià)提供理論分析依據(jù)。1 結(jié)構(gòu)分析模型的建立1.1 界面單元原理及相關(guān)參數(shù)在ANSYS軟件中，新老路面拼接結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)行為可以利用界面剝離模型（Interface delamination）進(jìn)行分析5。界面劑用界面單元（Interface element）Inter205進(jìn)行模擬，界面單元的應(yīng)力（拉應(yīng)力或剪應(yīng)力）隨界面相對(duì)位移（法向位移或切向位移）的增加而增加，且應(yīng)力隨位移的增加呈指數(shù)關(guān)系，達(dá)到最大值時(shí)發(fā)生界面破壞。圖2 界面單元的位移應(yīng)力曲線Fig.2 Displacement-stress curve of interface element因此界面單元需要用兩個(gè)參數(shù)表

9、征： 新老路面結(jié)構(gòu)在粘結(jié)失效時(shí)拼接面處的應(yīng)力大小，即粘結(jié)強(qiáng)度； 在此過(guò)程中新老路面拼接結(jié)構(gòu)層的相對(duì)位移。定義界面單元的兩個(gè)材料參數(shù)為C1和C2，C1為拼接面上的粘結(jié)強(qiáng)度，即界面最大拉應(yīng)力；C2為界面最大法向位移6?？烧J(rèn)為一組C2和C1的值確定一種粘結(jié)效果A (1)1.2 計(jì)算結(jié)構(gòu)及參數(shù)本文主要研究基層拼接面的粘結(jié)特性問(wèn)題，在對(duì)稱荷載作用下基層底部承受最大彎拉作用，計(jì)算模型及荷載位置如圖2.2所示。由于本文主要研究拼接界面粘接劑的受力變形特性，故在選取拼接結(jié)構(gòu)的幾何模型及材料參數(shù)時(shí)做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化： 不考慮不同高差時(shí)復(fù)雜的新老結(jié)構(gòu)層位對(duì)應(yīng)關(guān)系； 不考慮拼接臺(tái)階； 拼接工程中一般面層都需重新鋪筑，統(tǒng)

10、一鋪筑的厚度視高差及舊路情況，可能為中、上兩層或下、中、上三層。故本文模型中面層整體作為一層考慮； 舊路各結(jié)構(gòu)層模量由對(duì)應(yīng)新結(jié)構(gòu)層模量折減得到。根據(jù)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范7附錄E材料設(shè)計(jì)參數(shù)參考資料的參考值，路面各結(jié)構(gòu)層模量取20抗壓模量值，舊路結(jié)構(gòu)層模量按對(duì)應(yīng)新材料的75%折算，此折減系數(shù)代表一種典型拼接情況，并不做為某種特例或標(biāo)準(zhǔn)，本文取值時(shí)參考某工程落錘式彎沉儀FWD (Falling Weight Deflectometer)彎沉結(jié)果反算而得的舊路各結(jié)構(gòu)層模量，按不利情況考慮。計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸與計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表18。三維有限元模型三維有限元模型在道路橫向及縱向取4 m4m8，深度方向取面層、基層

11、及墊層，在模型下表面即墊層底面利用表面單元施加彈性地基模量。網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)基層加密網(wǎng)格，沿橫向在荷載作用區(qū)域加密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離荷載方向采用由密漸疏的網(wǎng)格控制。根據(jù)分析，在不采用界面單元的模型中，新老基層拼接面完全不連續(xù)時(shí)，基層拼接面底部的張開(kāi)位移約為0.03 mm8。因此，在界面剝離模型中，界面單元的變形參數(shù)C2值分別選取0.0001 mm，0.001 mm，0.005 mm，0.01 mm，0.02 mm和0.03 mm等，以模擬基層拼接部位界面劑的變形特性。圖3 對(duì)稱荷載下的界面單元模型Fig.3 Interface element model under symmetric load表1 界

12、面剝離模型計(jì)算參數(shù)Tab.1 Parameters of the interface delamination model結(jié)構(gòu)層新面層新基層新墊層新地基舊面層舊基層舊墊層舊地基模量/MPa1200300030020900225022540厚度/cm204015-104015-泊松比0.350.250.350.40.350.250.350.42 新老基層拼接面的粘結(jié)強(qiáng)度特性分析2.1特定界面條件下拼接面粘結(jié)強(qiáng)度的確定考察對(duì)稱荷載作用下，拼接路面結(jié)構(gòu)對(duì)新老基層拼接界面的連續(xù)性要求。界面單元參數(shù)C2在0到0.1 mm之間選一系列不同值，以每一個(gè)C2值為固定值，變化C1的取值。當(dāng)界面單元的最大位移恰好

13、等于C2時(shí)，此時(shí)認(rèn)為拼接界面恰好不發(fā)生開(kāi)裂，即認(rèn)為此時(shí)C1為要求的臨界粘結(jié)強(qiáng)度。 (2) (3) (4)滿足拼接路面結(jié)構(gòu)要求的臨界粘接強(qiáng)度：0= C1。式中D 拼接路面結(jié)構(gòu)中界面單元最大位移。式中選取的C2值，為常量。圖4為C2=0.01 mm時(shí)荷載作用下，雙輪中心連線下的道路橫斷面上界面單元的應(yīng)力及位移分布。圖中不均勻條形即為在荷載作用下，變形后的界面單元，上端為基層頂面位置，下端為基層層底位置。 a 應(yīng)力分布 b位移分布圖4 荷載作用下界面單元的應(yīng)力及位移Fig.4 Stress and displacement of the interface element under the loa

14、d由圖4a可見(jiàn)，拼接面上基層底部受到拉應(yīng)力最大，超過(guò)其粘結(jié)強(qiáng)度而破壞。由于此部分界面單元破壞失效，其上方的界面單元內(nèi)應(yīng)力迅速增加，以承擔(dān)拼接面上的拉應(yīng)力。因此開(kāi)裂區(qū)域向上發(fā)展。由于基層上部應(yīng)力逐漸減小，故開(kāi)裂區(qū)域向上發(fā)展至某一臨界位置而停止，此處應(yīng)力正好等于界面單元的強(qiáng)度C1。圖中基層中上部應(yīng)力云圖顏色最深，即應(yīng)力達(dá)到最大值。圖4b中新老基層間界面單元下部開(kāi)裂區(qū)域位移達(dá)到了0.03 mm，超過(guò)了界面單元達(dá)到破壞應(yīng)力C1時(shí)的位移C2=0.01 mm，因此界面開(kāi)裂。開(kāi)裂區(qū)域向上發(fā)展，至某一臨界位置而停止，此處張開(kāi)位移正好等于界面單元的最大位移C2。圖中基層中上部應(yīng)力云圖顏色變淺，即張開(kāi)位移未達(dá)到破

15、壞臨界值。C2=0.01 mm時(shí)，不同C1取值對(duì)應(yīng)的界面單元張開(kāi)位移如圖5?？v軸零點(diǎn)為基層頂面位置，縱軸-40 cm對(duì)應(yīng)基層層底位置。橫坐標(biāo)為界面張開(kāi)位移。圖5 不同參數(shù)時(shí)的界面張開(kāi)位移Fig.5 Interface opening displacement of different parameters圖5中可見(jiàn)，以直線X=0.01(圖中已標(biāo)出)為臨界位置，有C1=0.001、C1=0.01、C1=0.02、C1=0.03四條曲線的X值超過(guò)了此臨界值，即界面發(fā)生了開(kāi)裂破壞。這四條曲線與直線X=0.01的交點(diǎn)即是裂縫擴(kuò)展至的臨界位置。圖中C1=0.04，C1=0.05兩條曲線位于直線X=0.0

16、1左側(cè)，即此時(shí)界面沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂破壞。因此可確定臨界C1值在0.03至0.04間。圖5中不同C1取值時(shí)，拼接路面結(jié)構(gòu)拼接線處頂面變形及新老基層粘結(jié)界面開(kāi)裂長(zhǎng)度的值，見(jiàn)表2。表2 不同界面條件下的力學(xué)響應(yīng)Tab.2 Mechanical response of different interface conditionC1/MPa彎沉/0.01mm開(kāi)裂長(zhǎng)度/cmC1/MPa彎沉/0.01mm開(kāi)裂長(zhǎng)度/cm0.00125.22300.0524.5800.01024.98240.0624.5500.02024.80180.124.5100.03024.68120.224.4800.04024.610可

17、見(jiàn)，當(dāng)C1小于約0.04Pa之后，結(jié)構(gòu)的變形急劇增加，同時(shí)新老基層拼接面開(kāi)裂長(zhǎng)度也迅速增長(zhǎng)。則新老基層的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于0.04MPa，即0=0.04MPa。2.2不同界面條件下拼接面粘結(jié)強(qiáng)度要求采用2.1節(jié)中的分析方法，計(jì)算不同C2值時(shí)界面單元的臨界C1值，此值即是相應(yīng)界面條件假設(shè)下基層拼接面開(kāi)裂的臨界強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3 不同界面條件時(shí)的臨界開(kāi)裂強(qiáng)度Tab.3 Critical cracking strength of different interface conditionC2/mm0.00010.00100.00500.01000.02000.0300臨界粘結(jié)強(qiáng)度0 /MPa0.

18、0930.0760.0530.0370.0160以表3中數(shù)據(jù)C2為橫坐標(biāo)，以基層開(kāi)裂時(shí)的臨界強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制不同界面條件臨界粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖6。圖6 不同界面條件時(shí)的臨界粘結(jié)強(qiáng)度Fig.6 Critical adhesion strength of different interface conditions圖6中，C2（即界面粘結(jié)劑的允許拉伸變形）越大，則新老基層粘結(jié)界面開(kāi)裂的臨界粘結(jié)強(qiáng)度越小。當(dāng)C2的取值逐漸逼近于0時(shí)，粘結(jié)界面開(kāi)裂的臨界粘結(jié)強(qiáng)度則趨近于新老基層在拼接面完全連續(xù)，即有限元模型中“Glue”時(shí)所計(jì)算得的基層層底拉應(yīng)力。由圖6亦可見(jiàn)新老基層拼接界面開(kāi)裂的臨界粘結(jié)強(qiáng)度與

19、新老基層間界面粘結(jié)特性有很大關(guān)系。故在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)確定參數(shù)C2的值，進(jìn)而通過(guò)上述有限元模型確定界面粘結(jié)強(qiáng)度C1的臨界值C10。通過(guò)試驗(yàn)，粘結(jié)失效時(shí)臨界值A(chǔ)0為 (5)若試驗(yàn)得出的破壞強(qiáng)度大于此臨界值，則可認(rèn)為拼接路面結(jié)構(gòu)中粘結(jié)界面不會(huì)發(fā)生破壞；反之，則認(rèn)為此粘結(jié)界面劑不能滿足要求。即滿足式0 (6)3 結(jié)論與建議（1）由于界面粘結(jié)劑在荷載應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生變形，因此利用有限元模型確定新老路面拼接面的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，不能忽略界面劑的變形。滿足拼接界面不發(fā)生破壞的臨界粘結(jié)強(qiáng)度，小于利用完全連續(xù)模型求解所得的值。通過(guò)引入界面單元，可以有效模擬新老路面拼接時(shí)拼接界面粘結(jié)劑的作用。（2）粘結(jié)界面最大張

20、開(kāi)位移對(duì)臨界粘結(jié)強(qiáng)度的影響很大。當(dāng)此值足夠大時(shí)（即界面材料偏柔性），會(huì)出現(xiàn)拼接界面上應(yīng)力很小的情況。這表明此時(shí)粘結(jié)劑只是起“嵌縫”的作用，沒(méi)有發(fā)揮聯(lián)結(jié)新老結(jié)構(gòu)、增加整體強(qiáng)度的作用。（3）由于粘結(jié)界面變形特性對(duì)拼接結(jié)構(gòu)的受力影響很大，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)，確定C2的值，進(jìn)而通過(guò)有限元模擬，確定滿足拼接結(jié)構(gòu)受力要求的臨界粘結(jié)強(qiáng)度。（4）有限元模擬分析手段與實(shí)際試驗(yàn)互為必要補(bǔ)充?？赡艹霈F(xiàn)粘結(jié)界面不會(huì)發(fā)生破壞，但拼接路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度不滿足要求的情況。因此實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合彎沉指標(biāo)，對(duì)C2的取值提出要求。而這在試驗(yàn)手段上難以實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)有限元模擬手段來(lái)計(jì)算。然后通過(guò)實(shí)測(cè)彎沉與有限元模型計(jì)算結(jié)果之

21、間的回歸關(guān)系修正計(jì)算結(jié)果。參考文獻(xiàn)：1 楊建斌.拓寬道路路面開(kāi)裂的有限元分析J. 廣西交通科技,2003(6):102. YANG Jianbin. Finite element analysis of broaden road pavement crackingJ, Guangxi Communication Science and Technology, 2003(6):102.2 余常俊.高速公路拓寬工程新老路結(jié)合部施工技術(shù)J.公路,2004(3):105.YU Changjun. Construction technology of new-old jointing position in expressway widening project. Highway, 2004(3):105.3 曾綿琳,佘漢聰. 加寬瀝青路面水損壞的機(jī)理分析和對(duì)策研究J. 湖南交通科技, 2004, 30(4):4.ZENG Mianlin, SHE Hancong. Mechanism analysis and countermeasure research of water damage of widen asphalt pa