預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能力學(xué)分析

付新新，張海濤

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

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預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能力學(xué)分析

付新新，張海濤*

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著我國(guó)高速公路瀝青路面的大面積修建，道路在運(yùn)營(yíng)狀況下產(chǎn)生了一定程度的破壞。為了延遲或降低道路破損狀況，國(guó)內(nèi)外采用了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，以延長(zhǎng)道路使用年限，減少道路維修養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用，以及保持道路長(zhǎng)期處在良好的服務(wù)狀態(tài)等要求。準(zhǔn)確分析瀝青路面處在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的力學(xué)性能，可以有效地對(duì)路面的各項(xiàng)性能指標(biāo)狀況進(jìn)行預(yù)判，做出合理的處置方案以保證道路處于較好的技術(shù)狀態(tài)。本研究通過(guò)ANSYS軟件對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面裂縫和車轍性能進(jìn)行力學(xué)分析，取得了比較滿意的結(jié)果。研究結(jié)果對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能的力學(xué)分析具有一定的參考價(jià)值，可以更好的了解瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段道路的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

道路工程；瀝青路面；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)；車轍和裂縫；ANSYS力學(xué)分析

0　引　言

近年來(lái)，隨著“建養(yǎng)并重”得到公路技術(shù)部門的重視，更多的技術(shù)力量投入到養(yǎng)護(hù)研究中，道路養(yǎng)護(hù)從矯正性養(yǎng)護(hù)到預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)工作得到了較好的發(fā)展。為了使道路在最佳時(shí)機(jī)進(jìn)行最有效的養(yǎng)護(hù)維修，在最短時(shí)間及最低經(jīng)濟(jì)的條件下，使道路各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，有效的延長(zhǎng)道路的使用年限，這就要求對(duì)道路在不同時(shí)期的路面結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的掌握，從而能在第一時(shí)間對(duì)道路的技術(shù)狀況進(jìn)行處理。截至2015年底，我國(guó)的高速公路里程已經(jīng)達(dá)到12.5萬(wàn) km[1]，其中瀝青路面更是占了絕大的比重，因此，分析預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能具有一定的理論和實(shí)際意義。

在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段基礎(chǔ)上，分析瀝青路面在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段性能指標(biāo)的力學(xué)狀況，包括路面破損狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI、路面抗滑性能指數(shù)SRI以及路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI，確定各項(xiàng)指標(biāo)的具體受力狀況。研究結(jié)果在實(shí)際工程中進(jìn)行了瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的力學(xué)指標(biāo)應(yīng)用分析，取得了比較滿意的效果[2-4]。

1　預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能指標(biāo)

1.1瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的確定

根據(jù)美國(guó)科氏公司的研究，一條質(zhì)量合格的道路，在使用年限75%的時(shí)間內(nèi)道路性能下降40%，這一階段稱之為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段。如不能及時(shí)養(yǎng)護(hù)，在隨后12%的使用年限內(nèi)，道路性能再次下降40%，從而造成養(yǎng)護(hù)成本大幅度的增加，這一階段稱之為矯正性養(yǎng)護(hù)階段[5-7]。根據(jù)高等級(jí)公路瀝青路面設(shè)計(jì)年限為15 a，建立了道路性能與道路使用年限的關(guān)系曲線(如圖1所示)。

圖1　瀝青路面使用年限與性能的關(guān)系Fig.1 The relationship between service time and performance of asphalt pavement

1.2瀝青路面性能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》和《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[8-9]中的規(guī)定，瀝青路面性能評(píng)價(jià)包括路面損壞、平整度、車轍、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度5項(xiàng)內(nèi)容，瀝青路面狀況等級(jí)分為優(yōu)、良、中、次、差5個(gè)等級(jí)。瀝青路面處于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段要求路面狀況等級(jí)應(yīng)在優(yōu)或良以上，因此，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能各項(xiàng)指標(biāo)的要求見(jiàn)表1。

表1　瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段各項(xiàng)指標(biāo)要求

根據(jù)瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段各指標(biāo)的劃分及影響因素，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行力學(xué)分析。選用規(guī)范[10]中的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS力學(xué)軟件瀝青路面的模擬，路面結(jié)構(gòu)為：面層為4 cm AC-13、6 cm AC-16及8 cm AC-20，基層為38 cm水泥穩(wěn)定碎石及17 cm水泥石灰砂礫土層。

2　預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面裂縫力學(xué)分析

瀝青路面的破壞種類分為裂縫類、松散類、變形類及其它類等4大類，按破壞程度分為輕、中、重等3種[11-12]，本研究針對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面破壞進(jìn)行力學(xué)分析。瀝青路面破壞種類繁多，本研究以裂縫為代表進(jìn)行力學(xué)分析[13-17]。

2.1路面裂縫模型尺寸的確定[18]

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面裂縫寬度要求≤5 mm，分析裂縫寬度為1、3、5 mm時(shí)瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力情況。根據(jù)彈性層狀體系理論及相關(guān)的研究，路面裂縫模型尺寸的確定如下：

路面模型尺寸：道路橫向?qū)挾萖=4 m，道路縱向長(zhǎng)度Y=4 m，道路豎向深度Z=5 m。

裂縫模型尺寸：裂縫為橫縫，假定裂縫以垂直行車方向直線發(fā)展，因此，裂縫長(zhǎng)度為4 m，寬度分別為1、3、5 mm，深度與瀝青面層厚度相同。路面裂縫模型沿道路縱向的示意圖如圖2所示。

圖2　路面裂縫縱向示意圖Fig.2 The longitudinal diagram of pavement crack

2.2邊界約束條件

假定道路橫向與縱向均不產(chǎn)生位移，道路豎向在一定深度范圍內(nèi)完全固定，各結(jié)構(gòu)層之間完全連續(xù)接觸。

2.3材料參數(shù)設(shè)定

不同結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　不同結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)

2.4車輪荷載

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2006中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載見(jiàn)表3。

表3　標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)

根據(jù)輪胎與路面接地情況，荷載選用矩形分布荷載形式[19]，尺寸如圖3所示。

圖3　荷載示意圖Fig.3 The axle load diagram

2.5ANSYS軟件的力學(xué)分析結(jié)果

瀝青路面裂縫應(yīng)力應(yīng)變ANSYS模擬分析結(jié)果如圖4所示。不同裂縫寬度的ANSYS軟件模擬路面單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

因此，不同裂縫寬度的最大最小應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4　裂縫縱向剖面應(yīng)力應(yīng)變ANSYS分析圖Fig.4 The ANSYS stress and strain diagram of longitudinal crack section

圖5　不同裂縫寬度單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果Fig.5 The stress and strain diagram of unit node in different crack width

從表4中可以看出，不同裂縫寬度的應(yīng)變基本不變，而應(yīng)力的大小產(chǎn)生變化。通過(guò)對(duì)不同寬度裂縫的力學(xué)分析，可以清楚地看到荷載作用在裂縫邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，加速了路面裂縫破壞的程度；通過(guò)應(yīng)變圖也可以看出，在裂縫邊緣處的應(yīng)變較大，這也會(huì)加速裂縫發(fā)展的速度。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行處理，尤其是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的處理，能夠降低裂縫的發(fā)展速率。

表4　不同裂縫寬度的最大最小應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

3　預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面車轍力學(xué)分析

車轍是瀝青路面在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的豎向永久變形積累，根據(jù)車轍的形成原因分為失穩(wěn)型車轍、結(jié)構(gòu)型車轍和磨耗型車轍3類[20-21]。

3.1路面車轍模型尺寸的確定[22]

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面車轍深度要求≤25 mm，分析車轍深度為3、7、15、25 mm時(shí)瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力情況。根據(jù)彈性層狀體系理論及相關(guān)的研究，路面車轍模型尺寸的確定如下：

路面模型尺寸：車轍X、Y、Z方向與裂縫模型尺寸相同。

車轍模型尺寸：假定車轍與行車方向一致且為

兩條直線帶，車轍橫截面為半個(gè)橢圓形，車轍深度為橢圓短軸長(zhǎng)的1/2，寬度為橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)。寬度根據(jù)焦距和短軸長(zhǎng)確定，焦距長(zhǎng)度根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)規(guī)范》中的規(guī)定選取0.4 m/2=0.2 m。車轍產(chǎn)生的位置以路面中心軸為對(duì)稱軸兩輪中心距間隔的兩條直線帶。路面車轍沿道路橫斷面的示意圖如圖6所示。

圖6　路面車轍橫斷面示意圖Fig.6 The cross-sectional diagram of pavement rut

路面車轍模型的邊界約束條件、材料參數(shù)設(shè)定、車輪荷載的選取與路面裂縫相同。

3.2ANSYS軟件的力學(xué)分析結(jié)果

瀝青路面車轍應(yīng)力應(yīng)變ANSYS模擬分析結(jié)果如圖7所示。不同車轍深度的ANSYS軟件模擬路面單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7　車轍橫向剖面應(yīng)力應(yīng)變ANSYS分析圖Fig.7 The ANSYS stress and strain diagram of cross-sectional rut section

圖8　不同車轍深度單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果Fig.8 The stress and strain diagram of unit node in different rut depth

因此，不同車轍深度的最大最小應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　不同車轍深度的最大最小應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

從表5中可以看出，不同車轍深度的應(yīng)變基本不變，但變形量隨著車轍深度的增加而增大，而車轍深度越大產(chǎn)生的應(yīng)力越大。

4　結(jié)　論

(1)介紹了瀝青路面養(yǎng)護(hù)階段的劃分，通過(guò)對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面裂縫和車轍的力學(xué)分析，明確了預(yù)養(yǎng)階段道路各層的應(yīng)力應(yīng)變的變化情況。分析結(jié)果對(duì)瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段力學(xué)分析有一定的參考價(jià)值。

(2)本文給出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段瀝青路面路用性能各項(xiàng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用ANSYS軟件模擬了瀝青路面產(chǎn)生1、3、5 mm裂縫和3、7、15、25 mm車轍時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。得出，不同裂縫寬度的應(yīng)變基本不變，而應(yīng)力的大小產(chǎn)生變化；不同車轍深度的應(yīng)變基本不變，但變形量隨著車轍深度的增加而增大，而車轍深度越大產(chǎn)生的應(yīng)力越大。

(3)研究認(rèn)為，瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞程度越大，其應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。力學(xué)分析結(jié)果對(duì)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面維修等技術(shù)措施制定具有一定的實(shí)用價(jià)值。ANSYS軟件模擬預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面破壞狀況，對(duì)實(shí)際養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析具有重要的意義，通過(guò)研究希望對(duì)瀝青路面其它養(yǎng)護(hù)階段的力學(xué)分析具有一定的作用。

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Mechanical Analysis of Asphalt Pavement PerformanceDuring Preventive Maintenance Stage

Fu Xinxin，Zhang Haitao*

(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

With the increasing construction of asphalt pavement of highways in China，road damage occurred at different degrees during operation.In order to delay or reduce the road damage degree，the preventive maintenance technology has been applied both in China and abroad to prolong the service life of the road，reduce the cost of road maintenance，and finally to make the road in good service conditions for a long time.Accurate analysis on the mechanical performance of asphalt pavement in preventive maintenance stage can effectively predict various performance indicators，and make reasonable maintenance plan to ensure the road in the better technical conditions.In this study，the cracking and rutting of asphalt pavement performance during preventive maintenance stage has been analyzed by ANSYS software with a satisfactory outcome.The results of this study are of reference value to the mechanical analysis on asphalt pavement during preventive maintenance stage and can provide better understanding of the stress and strain of the road during preventive maintenance.

road engineering；asphalt pavement；preventive maintenance；rutting and cracking；ANSYS mechanical analysis

2016-03-09

黑龍江省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)項(xiàng)目(050-41311606)

付新新，碩士研究生。研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料。

張海濤，博士，教授。研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料。E-mail：zht6781@163.com

付新新，張海濤.預(yù)防性養(yǎng)護(hù)階段的瀝青路面性能力學(xué)分析[J].森林工程，2016，32(5)：76-80.

U 416

A

1001-005X(2016)05-0076-05