高速公路高模量瀝青路面典型結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析

□文/邳慧然 李正中 武巖峰 牛 軍

高模量瀝青路面材料技術(shù)源于法國，其設(shè)計(jì)理念是通過提高瀝青混凝土的模量，減小車輛荷載及高溫作用下瀝青混凝土的應(yīng)變路面結(jié)構(gòu)的塑性變形，達(dá)到提高路面抗車轍能力，減薄路面厚度和提高路面耐久性的目的[1]。我國于2005年開始進(jìn)行高模量瀝青混凝土應(yīng)用技術(shù)的研究，總體上還處于起步和探索階段，天津市尚未開展相關(guān)嘗試。本文結(jié)合天津地區(qū)高速公路的典型結(jié)構(gòu)，通過使用KENLAYER和ANSYS有限元軟件[2～3]，對不同瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和車轍預(yù)估模擬，為天津市高速公路路面結(jié)構(gòu)層中高模量瀝青混凝土材料的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

1 材料參數(shù)

采用JTGD 50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》給定范圍的中值作為SBS改性瀝青及普通瀝青混合料回彈模量的計(jì)算分析參數(shù)；采用GTM旋轉(zhuǎn)剪切成型方法對高模量瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青并外摻0.4%PR-Module 高模量改性劑（質(zhì)量比）。見表1[4]。與路基土、級(jí)配碎石相比，半剛性基層材料的非線性力學(xué)特征不明顯[5]，可認(rèn)為半剛性基層材料為理想彈性材料，其模量取值見表2[6]。

表1 瀝青混合料基本參數(shù) MPa

表2 半剛性材料的模量 MPa

2 路面結(jié)構(gòu)

2.1 典型結(jié)構(gòu)形式

天津地區(qū)高速公路常用的路面結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 典型瀝青路面結(jié)構(gòu)

研究表明，高速公路路面車轍主要產(chǎn)生于中面層，因此將高模量瀝青混合料用于高速公路中面層，見圖2。

圖2 高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算點(diǎn)

瀝青路面面層應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)見圖3。

圖3 應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位

雙圓均布豎向荷載P=700 kPa，荷載圓半徑R=10.65 cm。在XOY水平面內(nèi)，1號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為（-15.975，0），2號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為（-13.31，0），3號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為（-10.65，0），4號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0），單位均為cm。

在XOZ水平面內(nèi)，最大剪應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)間距在路面結(jié)構(gòu)中為1 cm，為系統(tǒng)清晰地反映剪應(yīng)力在路面結(jié)構(gòu)中的分布，在相應(yīng)水平坐標(biāo)點(diǎn)下，沿向路基內(nèi)部方向，對層間位置附近增加計(jì)算點(diǎn)密度，上承層層底和下臥層層頂均分別設(shè)置計(jì)算點(diǎn)；在基層范圍內(nèi)計(jì)算點(diǎn)間距適當(dāng)放大為2 cm，同樣對層間位置附近增加計(jì)算點(diǎn)密度。

3 路面結(jié)構(gòu)行為分析

3.1 剪應(yīng)力

采用KENLAYER 路面結(jié)構(gòu)分析軟件對普通瀝青路面結(jié)構(gòu)和中面層為高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，見圖4和圖5。

圖4 普通瀝青路面結(jié)構(gòu)

圖5 高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)

從圖4 可以看出，對于高速公路普通路面結(jié)構(gòu)而言，剪應(yīng)力峰值主要集中與2～10 cm范圍內(nèi)，基本屬于上面層下部到中面層底部之間，上面層峰值約為214 kPa，中面層剪應(yīng)力峰值約為182 kPa 且絕大多數(shù)剪應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在上、中面層之間及中面層底部位置。

從圖5 可以看出，對于高模量瀝青材料用于中面層結(jié)構(gòu)而言，剪應(yīng)力峰值同樣集中在2～10 cm 范圍內(nèi)，基本屬于上面層下部到下面層中部之間，上面層剪應(yīng)力峰值約為202 kPa，中面層剪應(yīng)力峰值約為181 kPa 且絕大多數(shù)剪應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在上、中面層之間及中面層層底位置。

但高模量瀝青面層結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力峰值有明顯的降低，上面層輪跡邊緣下2 cm處的剪應(yīng)力峰值降低了約5.6%，下面層的剪應(yīng)力也略有下降，其他位置的剪應(yīng)力峰值也有不同程度降低，同時(shí)剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置也有一定程度降低。

高模量瀝青材料放置在中面層，對于改善瀝青路面抗車轍穩(wěn)定性具有明顯優(yōu)勢，可以優(yōu)化剪應(yīng)力的分布，削減瀝青面層結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力的峰值。

3.2 疲勞壽命

采用KENLAYER 路面結(jié)構(gòu)分析軟件對普通瀝青路面結(jié)構(gòu)和中面層為高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的水平方向 力分布情況進(jìn)行了分析[7]，見表3。

表3 兩種路面結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力分布

根據(jù)拉應(yīng)力計(jì)算相應(yīng)疲勞壽命，見表4。

表4 兩種路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)估

綜合剪應(yīng)力和疲勞壽命分析，針對高速公路路面結(jié)構(gòu)，建議采用高模量瀝青混凝土作為中面層的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案[8]。

3.3 車轍預(yù)估

普通瀝青路面結(jié)構(gòu)經(jīng)過10 000次高溫條件輪胎作用后，產(chǎn)生近4 mm的車轍和6 mm多的相對轍槽深度，對車輛的正常行駛會(huì)造成明顯的影響[9]，雨天會(huì)出現(xiàn)明顯的積水現(xiàn)象，路面厚度也存在一定程度的減薄現(xiàn)象；而中面層高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)經(jīng)過輪載作用后，僅產(chǎn)生約1.7 mm 的車轍深度，相對車轍深度也僅有不到1.8 mm。見圖6。

圖6 高速公路車轍仿真豎向變形

針對中面層采用高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)方案后，結(jié)構(gòu)抗車轍性能顯著提高，對路面綜合服務(wù)能力的保障起到了重要的基礎(chǔ)支撐作用。

根據(jù)JTJ 073—96《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中容許車轍為15 mm 的控制指標(biāo)，兩種路面結(jié)構(gòu)方案抗車轍性能見表5。

表5 蠕變變形擬合分析

普通瀝青路面一般可以保證3 a 不需要對車轍病害的養(yǎng)護(hù)作業(yè)，而中面層采用高模量瀝青路面抗車轍能力有顯著提高，抗車轍壽命提高1.5 倍以上，在考慮季節(jié)因素條件下，可以保證在設(shè)計(jì)期限內(nèi)基本不需要考慮車轍病害的問題[10]。

4 結(jié)論

采用高模量瀝青混凝土作為高速公路中面層材料，可以顯著降低結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力峰值，減少層間剪應(yīng)力的突變點(diǎn)，有效降低剪應(yīng)力峰值的位置；可以在一定程度上降低拉應(yīng)力峰值，改善結(jié)構(gòu)層應(yīng)力分布，對提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有一定效果；可以顯著增強(qiáng)路面抗車轍能力，減小結(jié)構(gòu)層變形，使其在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)基本不需要考慮車轍病害的問題，從而達(dá)到延長高速公路使用壽命的效果。