高模量結(jié)構(gòu)層對瀝青路面疲勞性能的影響

何　立，凌天清

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶　400074；2.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶　400074)

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高模量結(jié)構(gòu)層對瀝青路面疲勞性能的影響

何立1，凌天清2

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶400074)

為了準(zhǔn)確掌握高模量結(jié)構(gòu)層對路面疲勞性能的影響規(guī)律，文章采用ANSYS有限元軟件對瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞壽命的數(shù)值計(jì)算分析。將路面的高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)置在中面層、下面層和中下面層，分別計(jì)算了在不同模量情況下路面結(jié)構(gòu)各層的層底拉應(yīng)力的分布及拉應(yīng)力隨模量的變化情況。同時，根據(jù)路面層底拉應(yīng)力狀態(tài)分析了中性面位置變化，計(jì)算了半剛性基層的疲勞壽命。結(jié)果表明：(1)在雙矩形荷載作用下，基層層底拉應(yīng)力最大；(2)高模量層模量增加，路面結(jié)構(gòu)中性面大幅上移；(3)高模量結(jié)構(gòu)層的設(shè)置可以有效減小路面車轍深度；(4)隨著高模量層模量的增加，半剛性基層的層底拉應(yīng)力減小，疲勞壽命顯著提高。

路面工程；瀝青路面；有限元軟件；數(shù)值計(jì)算；高模量；半剛性基層；疲勞性能

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公路交通運(yùn)輸量與日俱增，加之公路超載問題不斷，公路路面的毀損情況嚴(yán)重。很多瀝青路面在通車后不久就出現(xiàn)比較嚴(yán)重的病害，如車轍，疲勞開裂等。這些病害一方面增加了道路養(yǎng)護(hù)成本，另一方面給交通帶來了極大的不便，使得公路的社會經(jīng)濟(jì)效益大大降低。為了減少瀝青路面病害的產(chǎn)生，降低路面的維修養(yǎng)護(hù)成本，近些年研究者十分關(guān)注高模量瀝青混凝土(high modulus asphalt concrete，HMAC)的研發(fā)和組成設(shè)計(jì)。高模量瀝青混凝土作為一種新型道路材料，對于路面產(chǎn)生的車轍的延緩與路面疲勞性能改善，有著比較明顯的優(yōu)勢[1]。但是，在路面中設(shè)置高模量結(jié)構(gòu)層會對路面結(jié)構(gòu)的受力狀況產(chǎn)生比較大的影響，直接關(guān)系到到路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。為了準(zhǔn)確掌握高模量結(jié)構(gòu)層對路面疲勞性能的影響規(guī)律，為高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，本文通過ANSYS有限元軟件對典型的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞壽命的計(jì)算分析。

1　力學(xué)模型

1.1基本假設(shè)

完全彈性假設(shè)：各層都由均質(zhì)、彈性、各向同性材料組成，各層之間的接觸面為層間完全連續(xù)，其上位移完全連續(xù)[2]；

不考慮路面裂縫和破損情況。

1.2路面結(jié)構(gòu)及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算采用典型路面結(jié)構(gòu)型式：路面面層分上、中、下三層，上面層采用細(xì)粒式瀝青混合料，中面層用高模量瀝青混合料，下面層采用粗粒式瀝青混合料?；鶎雍偷谆鶎臃謩e采用水泥穩(wěn)定碎石和低劑量的水泥穩(wěn)定碎石。路面各個結(jié)構(gòu)層的具體材料參數(shù)見表1。

表1　瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表

1.3行車荷載

荷載為標(biāo)準(zhǔn)的單軸雙輪組BZZ-100，荷載作用半徑δ為0.165m。為了便于有限元的計(jì)算，計(jì)算時輪胎胎壓采用矩形[3]，大小為0.707MPa。具體如圖1所示。

圖1　輪胎胎壓示意圖

1.4計(jì)算模型

本文使用ANSYS14.0有限元軟件，采用Solid185號實(shí)體單元建立路面結(jié)構(gòu)的三維模型。為了考慮計(jì)算的精度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[4]，模型的尺寸選為水平面上4m×4m，豎直方向在路面結(jié)構(gòu)底基層底部向下取土基厚度為5m。模型在x方向和z方向施加零位移約束，固定底面考慮路基剛性層的影響[5]。雙矩形荷載作用在模型正中間位置，大小為0.707 MPa。同時，在荷載作用的區(qū)域?qū)澐值木W(wǎng)格進(jìn)行加密，劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分圖

2　層底彎拉應(yīng)力計(jì)算

2.1高模量層層位的設(shè)置

根據(jù)以往的調(diào)查研究，路面車轍變形主要發(fā)生在路面結(jié)構(gòu)的中下面層[6]。考慮到車轍因素，通常把高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)置在路面的中下面層。本文為了準(zhǔn)確地把握高模量結(jié)構(gòu)層的設(shè)置對瀝青路面疲勞性能的影響，考慮了把高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)在中面層(A)、下面層(B)和中下面層(C)三種情況。在A、B、C三種情況下，考慮了高模量結(jié)構(gòu)層模量從低到高的變化情況對瀝青路面層各層底拉應(yīng)力的影響。各層高模量結(jié)構(gòu)層的模量設(shè)置見表2。

表2　高模量結(jié)構(gòu)層模量的變化數(shù)值表

2.2層底彎拉應(yīng)力計(jì)算及其變化規(guī)律

2.2.1拉應(yīng)力沿z方向(深度方向)的分布

根據(jù)以上A、B、C三種高模量結(jié)構(gòu)層的設(shè)置，本文中選取了矩形荷載作用的中心為計(jì)算位置[5]，分別計(jì)算了A、B、C三種情況下路面結(jié)構(gòu)中沿深度方向80 cm位置上各點(diǎn)的最大拉應(yīng)力的分布，如圖3～5所示(圖中拉應(yīng)力表示為正，負(fù)值表示受壓)。由圖3～5可以看出，路面結(jié)構(gòu)在收到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用時，距離路表一定范圍內(nèi)的點(diǎn)受壓，超過一定范圍的點(diǎn)才受拉。拉應(yīng)力隨著深度的增加而增大，但是過了距離路表54 cm處的點(diǎn)之后拉應(yīng)力有開始減小。

在深54 cm處路面的層底彎拉應(yīng)力出現(xiàn)最大值，而深54 cm處恰好為半剛性基層的層底。因此，路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能很大程度上由半剛性基層層底的疲勞性能決定。深度為18 cm的轉(zhuǎn)折處(即路面下面層層底)可以看出此處受高模量層模量的影響比較大?？梢?，在進(jìn)行高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)的時候應(yīng)該特別關(guān)注瀝青路面下面層底的拉應(yīng)力和半剛性基層的層底彎拉應(yīng)力。

圖3　情況A沿深度方向最大拉應(yīng)力分布示意圖

圖4　情況B沿深度方向最大拉應(yīng)力分布示意圖

圖5　情況C沿深度方向最大拉應(yīng)力分布示意圖

2.2.2拉壓過渡點(diǎn)(中性面)位置的變化規(guī)律

本文根據(jù)層底拉應(yīng)力的計(jì)算數(shù)據(jù)，分析了A、B、C三種情況路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的層底壓應(yīng)力向拉應(yīng)力過渡的變化情況。圖6顯示，在A、B、C三種情況下，拉壓過渡點(diǎn)與路表的距離隨著高模量結(jié)構(gòu)層模量的增加而減小。把高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)置在中面層時，中面層模量每增加200 MPa，中性面的位置上移0.3 cm；將高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)在下面層時，下面層模量每提高200 MPa時，中性面的位置上移0.7 cm左右；高模量層設(shè)置在中下面層時，中性面上移出現(xiàn)了明顯的非線性特征：模量從1 800 MPa增加到2 400 MPa時中性面上移了9.1 cm，而模量從2 400 MPa增加到3 000 MPa時，中性面上移2.1 cm。這說明，高模量結(jié)構(gòu)層的層位設(shè)置對中性面的位置有很大的影響；同時增加高模量層模量可以使中性面的位置大幅上升。

圖6　中性面位置變化曲線圖

2.2.3層底應(yīng)力隨高模量結(jié)構(gòu)層模量的變化

在A、B、C三種高模量設(shè)置的情況中路面的上面層層底拉應(yīng)力均負(fù)，表示上面層層底受壓力。從圖7～9中可以看出，在A種情況下，隨高模量層模量增加路面上面層的層底壓應(yīng)力在逐漸增大，而中面層和下面層的壓應(yīng)力逐漸減小，但在B、C情況下，中面層的應(yīng)力隨著模量逐漸增大。

圖7　上面層層底拉應(yīng)力變化情況曲線圖

圖8　中面層層底拉應(yīng)力變化情況曲線圖

圖9　下面層層底拉應(yīng)力變化情況曲線圖

圖10　基層層底彎拉應(yīng)力變化情況曲線圖

對于下面層，A、B、C三種情況下，層底壓應(yīng)力均隨著模量的增加而減小，其中高模量設(shè)在中下面層時下面層的層底由受壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)(模量的增加使結(jié)構(gòu)的中性面上升)。

圖10中，由于高模量層模量的增加，基層的層底拉應(yīng)力有很明顯變化。當(dāng)中下面層都設(shè)高模量結(jié)構(gòu)層時，模量每增加200 MPa，層底的彎拉應(yīng)力增加0.3 kPa；高模量設(shè)置在下面層時，變化最不明顯，模量每增加200 MPa時，層底彎拉應(yīng)力增加0.1 kPa。

綜合前述分析可知，隨著模量的增加，中下面層層底最大壓應(yīng)力有減小的趨勢；同時由于模量提高，中下面層的壓應(yīng)變有減小的趨勢。因此，高模量層的設(shè)置可以提高路面的抗車轍能力。同時，基層的層底彎拉應(yīng)力的減小，說明高模量層的設(shè)置可以提高基層的抗開裂性能。

3　疲勞壽命計(jì)算

3.1疲勞壽命計(jì)算方法

疲勞損壞是瀝青混凝土路面的常見破壞之一。疲勞壽命是指瀝青路面在反復(fù)荷載作用下達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。我國的路面設(shè)計(jì)方法里規(guī)定了不同路面材料對應(yīng)不同的疲勞方程。由于以上計(jì)算結(jié)果中半剛性基層的層底拉應(yīng)最大，而半剛性基層的疲勞壽命很大程度上決定了路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，因此本文依據(jù)A、B、C三種情況下的半剛性基層層底拉應(yīng)力，計(jì)算半剛性基層的疲勞壽命?；鶎悠谟?jì)算采用美國力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法給出的疲勞方程[2]：

(1)

式中：σt——最大層底彎拉應(yīng)力；

MR——材料28 d彎拉強(qiáng)度；

Nf——疲勞壽命。

根據(jù)李玉華等[7]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，MR取1.2 MPa進(jìn)行計(jì)算。

3.2疲勞壽命的預(yù)估及變化規(guī)律

根據(jù)文中疲勞公式(1)計(jì)算A、B、C三種情況下半剛性基層的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果見表3。

將表3中的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的擬合(見圖11)。從圖中可以看出，隨高模量層模量的增加，基層的疲勞壽命呈明顯的增加趨勢。高模量層設(shè)置在中下面層時，基層的疲勞壽命提高最為明顯，模量從1 400 MPa升高至2 800 MPa，基層的疲勞壽命提高了53.3%；高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)置在中面層時，模量從1 600 MPa升高至2 800 MPa，基層的疲勞壽命提高18.8%；將高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)置在下面層時，模量從1 600 MPa升高至2 800 MPa，基層的疲勞壽命提高11.4%。通過A與C的對比、B與C的對比說明，高模量結(jié)構(gòu)層越厚，半剛性基層的疲勞壽命越長。

表3　A、B、C情況下半剛性基層疲勞壽命計(jì)算結(jié)果表

由于高模量瀝青混凝土的成本要高于普通瀝青混凝土，在實(shí)際施工過程中高模量結(jié)構(gòu)層的設(shè)置應(yīng)綜合考慮路面設(shè)計(jì)壽命與工程經(jīng)濟(jì)問題。綜合分析，高模量結(jié)構(gòu)層應(yīng)設(shè)置在路面結(jié)構(gòu)的中面層，根據(jù)實(shí)際的交通荷載情況，通過提高高模量結(jié)構(gòu)層的模量與厚度的方法來提高路面疲勞壽命。

圖11　隨模量變化的疲勞壽命曲線圖

4　結(jié)語

(1)在雙矩形均布荷載作用下，路面的基層底受到的拉力最大，路面計(jì)算時應(yīng)特別關(guān)注基層層底的應(yīng)力狀態(tài)；

(2)隨著高模量結(jié)構(gòu)層模量增加路面結(jié)構(gòu)中性面的大幅上移，可以根據(jù)這個特性對路面結(jié)構(gòu)受拉區(qū)域與受壓區(qū)域進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，提高受壓區(qū)的抗壓特性和受拉區(qū)的抗拉特性；

(3)合理的高模量結(jié)構(gòu)層的設(shè)置可以有效減小路面中下面層的壓應(yīng)變，從而提高路面的抗車轍變形能力；

(4)隨著高模量層模量的增加，半剛性基層的層底拉應(yīng)力減小，疲勞壽命顯著提高。建議瀝青路面的高模量結(jié)構(gòu)層設(shè)置在中面層，結(jié)合實(shí)際情況通過增加高模量結(jié)構(gòu)層的厚度與模量的方法來提高路面的疲勞壽命。

[1]李洪斌.高模量瀝青混合料性能研究與路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析[J].公路工程，2014(6)：100-102，118.

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Impact of High-modulus Structure Layer on Fatigue Performance of Asphalt Pavement

HE Li1，LING Tian-qing2

(1.College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074；2.College of Architecture and Urban Planning，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

In order to accurately grasp the impact rules of high-modulus structure layer on pavement fa-tigue performance，this article used ANSYS finite element software to conduct the numerical calculation and analysis on the fatigue life of asphalt pavement structure.It set the high-modulus structure layer of pavements at the medium，lower and medium-lower surface layers，and respectively calculated the layer bottom tensile stress distribution of all pavement structure layers under different modulus circumstances as well as the tensile stress changes to modulus.Meanwhile，according to pavement layer-bottom tensile stress state，it analyzed the neutral surface position changes，and calculated the fatigue life of semi-rigid base layer.The results showed that：(1)under the impact of dual rectangular loads，the layer-bottom tensile stress of base layer is the maximum；(2)with the modulus increase of high modulus layer，it shows the substantial shift upward on the neutral surface of pavement structure；(3)the setting of high modulus structural layer can effectively reduce the pavement rutting depth；(4)with the modulus increase of high-modulus layer，the layer-bottom tensile stress of semi-rigid base layer is reduced，with signifi-cantly improved fatigue life.

Pavement engineering；Asphalt pavement；Finite element software；Numerical computation；High modulus；Semi-rigid base layer；Fatigue performance

U416.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.002

1673-4874(2016)03-0006-06

2016-03-15

何立(1990—)，研究生，研究方向：路基路面；

凌天清(1962—)，教授、博導(dǎo)，研究方向：路基路面。

重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(編號：CYS151 79)