部分层间粘结比例与空间分布对多层沥青路面承载能力的影响——基于有限元与Darmstadt落锤式弯沉仪（FWD）评价的研究

《Infrastructures》：Impact of Partial Interlayer Bonding on the Load-Bearing Capacity of Multilayer Asphalt Pavements: A Finite Element Study

　　

沥青路面的结构性能和使用寿命取决于各沥青层之间充分的粘结。层间粘结不足会降低路面承载能力，并增加交通荷载作用下的变形。研究人员建立了多层沥青路面的有限元（FEM）模型，以研究不同层间粘结条件对结构承载性能的影响。通过改变粘结百分比和粘结区域的空间分布，评估其对路面弯沉和承载能力的影响。采用根据Gr?tz的Darmstadt落锤式弯沉仪（FWD）评价方法对计算响应进行定量评估。结果表明，承载能力随粘结百分比降低而下降。然而，完全粘结区域的有利分布即使在约10%的较低粘结百分比下也可提供足够的承载能力。层间粘结的销栓效应（dowel effect）导致最大弯沉减小。这可由层间粘结引起的板刚度 M₁h³ 增大来解释，其提高了沥青路面抵抗荷载的能力。结果证明了粘结百分比和粘结区域分布对沥青路面结构性能的重要性。

论文解读：该研究围绕多层沥青路面（multilayer asphalt pavement）层间粘结（interlayer bonding）对承载能力的影响展开。背景上，沥青路面通常由沥青表面层（SC）、沥青粘结层（BC）和沥青基层（ABC）等多层组成，为使交通与气候作用产生的应力传递至路基，各沥青层间需要较强粘结，使层包体作为整体工作。原文指出，层间粘结受嵌锁、粘附和摩擦等影响，且受乳液喷洒量、施工条件、交通荷载以及长期因素等多种参数影响，难以作为固定测量参数处理。层间粘结不足会削弱力锁合，使层间仅松散叠置，进而降低路面承载能力并增大交通荷载下变形。现有研究采用静态剪切试验、FWD等评价层间粘结，也采用有限元法（FEM）模拟不同层间粘结状态；但原文强调，需要建立支撑于土与无粘结层的多层沥青路面有限元模型，并通过面积相关的部分粘结区域变化比较不同粘结质量对承载能力的影响，最后用FWD评价方法量化层间粘结对道路结构承载能力的影响。研究人员开展了多层沥青路面有限元建模、层间接触定义、部分粘结图案建模以及Darmstadt FWD回算评价，得出承载能力随粘结比例下降而降低，但粘结区域有利分布可在约10%低粘结比例下提供足够承载能力；层间粘结的销栓效应可降低最大弯沉，其可由板刚度 M₁h³ 增大解释。该研究意义在于表明粘结比例与粘结区域分布均对沥青路面结构性能重要，并建议采用FWD非破坏性评价层间粘结。

技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用ABAQUS建立3.0 m×3.0 m四分之一多层沥青路面模型，总深度8.0 m，按RStO 12的Bk32结构设置SC、BC、ABC与冻保护层（FPL），采用线性弹性材料参数；以FWD 50 kN、300 mm加载板、707,000 Pa接触压力模拟荷载。全粘结采用Tie Constraint，完全脱粘采用硬接触与罚摩擦，摩擦系数μ=0.69由实验室直接剪切试验校准（两层沥青板，约20 ℃，四组法向应力）。单元采用C3D10、C3D20及FPL与路基的混合单元，并进行自适应重划网格。部分粘结通过20 cm×20 cm全粘结与无粘结子区棋盘格布置及间距变化实现，分Type a、b、c；结果用根据Gr?tz的Darmstadt FWD回算方法评价M₀、l、M₁h³与h_calc。

研究结果：1. Layer Bond in Asphalt Pavement Structures: Fundamentals and Numerical Modelling。原文通过文献总结说明层间粘结受多因素影响，并评述接触相互作用、薄中间层、杆或弹簧等FEM层间粘结建模方法；据此提出采用面积相关的全粘结/无粘结子区变化来表征部分粘结。1.1 Basics of the Layer Bond of Asphalt Pavement Structures。通过总结层间粘结基础指出，层包体需作为整体保证长期承载能力，乳液喷洒量等影响粘结质量，层间粘结不能视为固定测量参数。1.2 Numerical Modelling of the Layer Bond Using FEM。通过评述Nguyen、Weber、Wollny et al.、Kruntcheva et al.、Villaret et al.、Chun et al.等研究，得出不同FEM建模途径可表征完全粘结、部分粘结与脱粘，并为本研究采用面积相关部分粘结提供依据。2. Development and Verification of the FE Model。通过建立并校核模型，确定尺寸、材料、荷载、接触、单元与网格设置。2.1 Model Dimensions, Material Properties and Load。通过采用四分之一模型、Bk32结构、线性弹性参数和FWD荷载，形成可计算模型；原文指出线性弹性是简化。2.2 Interlayer Contact Definitions。通过Tie Constraint表示全粘结、Contact表示全脱粘，并用实验室直接剪切试验校准μ=0.69；通过水平应变分布验证全粘结与全脱粘设置。2.3 Element Types and Meshing。通过采用二次单元C3D10、C3D20及混合单元和自适应重划网格，获得最终网格。3. Modelling of Different Qualities of Partial Bonding。通过将全粘结与无粘结子区按棋盘格布置并改变间距，建立九种粘结状态，Type a为表面层-粘结层，Type b为粘结层-基层，Type c为两界面同时部分脱粘；采用20 cm边长粘结子区，以体现Bald & Nguyen所述销栓效应。4. Discussion and Evaluation of the Calculation Results。4.1 Applied Evaluation Method。通过采用根据Gr?tz的Darmstadt FWD回算方法，确定M₀、l、M₁h³、h_calc；原文指出M₀和l不适合评价沥青结构，故采用M₁h³与h_calc，参考值来自AP Trag Part C 2.1及RStO 12下一荷载等级层厚。4.2 Qualitative Evaluation。通过比较弯沉盆得出，最大弯沉随粘结比例降低而增大；pattern 8（2.9%粘结）最大弯沉显著低于完全无粘结，证明销栓效应；无粘结区变形剖面更陡，有粘结区更平；粘结层-基层脱粘影响大于表面层-粘结层；双界面同时脱粘最不利但主要受下层界面控制；最大弯沉较全粘结分别增加9.0%（无粘结考虑摩擦）、37.8%（下层界面无粘结）、44.1%（双界面无粘结）；pattern 6b在6.0%粘结下偏差14.8%，pattern 6c为17.7%，pattern 6a由9.0%降至2.6%；仅凭弯沉无法量化足够承载能力的粘结比例。4.3 Quantitative Evaluation。通过M₁h³与h_calc评价得出，承载能力极限约在pattern 5（6.0%）与pattern 6（11.2%）之间，约10%粘结比例且粘结区域有利布置可足够，粘结区间距不宜超过约50 cm；销栓效应降低最大弯沉，原因是层间粘结提高板刚度 M₁h³，从而增强路面抗荷载能力；原文同时指出未考虑单个粘结区脱离，未来需考虑脱离、温度依赖、无粘结层非线性、湿度与支撑条件、动态加载及现场FWD验证。

讨论与结论翻译：原文讨论指出，随着粘结比例降低，沥青路面承载能力下降，完全无粘结结构弯沉较全粘结结构最多增大44.1%；但确定保证足够承载能力的最小粘结比例阈值较困难。为此采用根据Gr?tz的Darmstadt FWD评价方法，以M₁h³（板刚度）和h_calc（计算层厚）进行定量评价；对沥青粘结层与基层这一临界界面，约10%的粘结比例已可认为足够。承载能力评价参考值取自德国规范AP Trag Part C 2.1的M₁h³及RStO 12下一较低荷载等级的层厚。结论认为，在粘结子区有利布置时，即使粘结比例较低，计算上也可达到足够承载能力；层间粘结的销栓效应降低最大弯沉，归因于层间粘结引起的板刚度 M₁h³ 增大，从而增强沥青路面抗荷载能力。原文还指出，ZTV Asphalt-StB 26目前通过在完工沥青路面取芯并采用Leutner剪切试验评价层间粘结，每6000 m2铺筑面积每层设一个取样位置；但本研究表明低粘结比例且有利布置即可足够承载，故取芯检测实践适用性有限，建议采用FWD在明确且尽可能密集的测试网格上进行非破坏性评价，并用Darmstadt方法评估。进一步结论包括：对承载能力最相关的层界面是粘结层与基层之间，表面层与粘结层上界面仅起次要作用；两界面同时脱粘与仅下界面脱粘的承载能力结果差异不显著；不能仅依据粘结面积百分比评价承载能力，粘结比例最多作为初步指标；有利于高承载能力的因素为粘结子区最大间距小、粘结子区尺寸大、粘结子区布置优化尤其是荷载作用面区域。