基于宕渣路基的瀝青路面結(jié)構(gòu)力學性能研究

(1.沈陽建筑大學交通工程學院， 遼寧沈陽110168；2.大連海事大學交通運輸工程學院, 遼寧大連116000;3.浙江大學交通工程研究所， 浙江杭州3100580)

0 引言

我國道路建設(shè)行業(yè)在經(jīng)濟快速發(fā)展的大環(huán)境下已經(jīng)取得長足發(fā)展，但是傳統(tǒng)的路基填筑施工方式已經(jīng)嚴重威脅了生態(tài)平衡，且現(xiàn)有的土類填筑材料難以滿足道路建設(shè)行業(yè)長遠發(fā)展的需求。將宕渣材料應用到路基填筑施工當中，不僅可以有效地避免大量農(nóng)地被占用，也可以很好地解決施工過程中渣土對環(huán)境嚴重污染的問題，故越來越多的道路工程選擇宕渣作為施工材料[1-3]。

宕渣作為一種建筑廢料，力學性能良好，且便于取材[4-6]。研究表明，將宕渣材料用于路基填筑施工，可以減小路面設(shè)計厚度與路表彎沉Ls、明顯增大路基的E0、縮減道路造價[7-9]。宕渣路基受到面層傳遞荷載與結(jié)構(gòu)層自重的作用[10-11]。宕渣填筑路基可以直接影響到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，但有關(guān)其對路面結(jié)構(gòu)影響的研究較少，故借助有限元軟件研究宕渣路基對瀝青路面結(jié)構(gòu)層的影響具有重要意義[12-13]。

為研究宕渣路基對瀝青路面結(jié)構(gòu)層力學性能的影響，通過ABAQUS軟件分析了路面結(jié)構(gòu)參數(shù)在宕渣填筑路基作用下的變化規(guī)律。結(jié)果表明，宕渣填筑路基，可以明顯改善路面結(jié)構(gòu)的力學性能，且具有較好的經(jīng)濟效益。

1 循環(huán)壓縮試驗

為獲得宕渣路基回彈模量的取值范圍，給ABAQUS平臺的材料參數(shù)取值提供理論依據(jù)，本文以宕渣土石混合料為研究對象，開展了不同試驗條件下的循環(huán)壓縮試驗。

1.1 試驗用料與儀器

試驗材料為宕渣土石混合料和水。選用儀器為JZ-ZD型電動重型擊實儀和WDW-100型加載機，如圖1和圖2所示。

圖1 擊實儀
Fig.1 Compaction apparatus

圖2 WDW-100型加載機
Fig.2 WDW-100 loading equipment

1.2 試驗級配與含水率

試驗采用文獻[14-15]等量代換法求得的三種級配，如表1所示。三種級配分別選用如表2所示的五組含水率w開展試驗[1]。

表1 試驗級配Tab.1 Test gradation

圖3 應力σ—應變ε曲線Fig.3 Stress-strain curves

1.3 試驗過程

①選用尺寸為210 mm×125 mm×62 mm的大試盒,將重型擊實后的試件取樣放入大試盒中,并且保證每次取樣的質(zhì)量控制在1 000 g左右,計重后放入烘箱,按土工試驗規(guī)程步驟操作最終測定級配1、2和3的最佳含水率分別為13.2 %、14 %、14.5 %。

②在級配1最佳含水率附近分別取5個預加含水率進行拌料和悶料,制備重型擊實循環(huán)壓縮試件。

③將循環(huán)壓縮試件分別放在電子萬能試驗機上,使壓頭以速度v=1 mm/min豎直向下,控制試件受豎直方向的最大應力為1 MPa時卸載，待試件恢復形變,測其回彈變形量。

④以此將試件循環(huán)壓縮20次,在電腦上采集試驗數(shù)據(jù),得到應力—應變曲線圖,如圖3所示。求得回彈模量后,分別測試5個試件的實際含水率。

⑤根據(jù)上文所述分別制備級配2和級配3的5個循環(huán)壓縮試件,依次重復②～④的步驟。

1.4 回彈模量的確定

第n次壓縮加載的回彈模量En的求解公式如式(6)所示，回彈模量E0的求解公式如式(7)所示，因為試件在第一次加載期間不穩(wěn)定，故不考慮E1。求得的回彈模量如表2所示，由表2知，測得的宕渣土石混合料回彈模量為157.3～254.8 MPa。根據(jù)表2繪制回彈模量E0-含水率w曲線，如圖4所示，由圖4可知，含水率w對三種級配的回彈模量E0影響規(guī)律基本相同，且對級配2的回彈模量E0的影響最小?？紤]到級配2對應的回彈模量E0受含水率w影響最小，故建議采用級配2的宕渣土石混合料作為路基填筑材料，取試驗結(jié)果的平均值244 MPa作為工程建議值。使用式(8)對回彈模量E0—含水率w曲線進行擬合回歸，擬合結(jié)果如表3所示，由表3可知，二次函數(shù)能較好地刻畫w與宕渣土石混合料回彈模量E0之間的關(guān)系[1,9-10]。

(6)

(7)

E0=-aw2-bw+c，

(8)

式中：w為含水率；a，b，c為擬合參數(shù)。

表2 回彈模量E0結(jié)果Tab.2 Results of resilient modulus

圖4 回彈模量E0—含水率w曲線Fig.4 Resilient modulus-water content curves

2 宕渣路基對路面結(jié)構(gòu)層的影響

2.1 建立路面結(jié)構(gòu)三維模型

2.1.1 模型的建立

圖5 網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Mesh generation

通過ABAQUS軟件分析不同宕渣路基E0對路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。作用在路面的交通荷載一般為瞬時荷載且瞬時應力數(shù)量級較低，故將路面結(jié)構(gòu)層視為線彈性體，路面各結(jié)構(gòu)層材料假設(shè)為均勻彈性。路面荷載選擇雙圓均布荷載BZZ-100。將模型的空間尺寸為寬度4.375 m，深度2.74 m，長度5 m[16]。底部x、y、z三個方向的位移約束和轉(zhuǎn)動約束均為0，左右兩側(cè)x方向位移約束、y和z方向轉(zhuǎn)動約束為0。單元類型如圖5所示。

2.1.2 選取路面結(jié)構(gòu)和確定參數(shù)

根據(jù)循環(huán)壓縮試驗結(jié)果選取三組宕渣的回彈模量E0，分別：150 MPa、200 MPa、250 MPa。兩種水泥質(zhì)量分數(shù)分別為5 %和3 %的水穩(wěn)碎石參數(shù)根據(jù)文獻[17]進行取值，其余各個結(jié)構(gòu)層參數(shù)按規(guī)范中值來賦值。路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示[18]。

表4 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.4 Parameters of pavement structure

2.2 模擬計算結(jié)果分析

路面結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果如表5所示，根據(jù)表5繪制路基回彈模量E0與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系圖，如圖6～圖10所示，由圖6～圖10可知，E0取試驗值150～250 MPa時，E0與上述參數(shù)關(guān)系曲線走勢為平緩。在宕渣材料處在最不利飽水狀態(tài)時，其路面結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果優(yōu)于土基路面結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果。計算結(jié)果具體分析如下。

表5 路面結(jié)構(gòu)計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of pavement structure

2.2.1 宕渣路基對路表彎沉的影響

回彈模量E0—路表彎沉Ls曲線如圖6所示，由圖6的數(shù)據(jù)可知，選取路面結(jié)構(gòu)的回彈模量E0從45 MPa升高至250 MPa，Ls減幅為24.4 %～41.2 %，由圖6的整體趨勢可知，隨E0的增加Ls降低，當使用宕渣填筑路基時，Ls減幅趨于平緩，且相比土基所對應的Ls減少地更加明顯。

2.2.2 宕渣路基對路面內(nèi)部應力的影響

回彈模量E0—下面層層底拉應力σt(下面層)曲線如圖7所示，回彈模量E0—基層層底拉應力σt(基層)曲線如圖8所示，回彈模量E0—底基層層底拉應力σt(底基層)曲線，如圖9所示。由圖7～圖9可知，σt(下面層)為負，即下面層層底承受壓應力(σC(下面層))，E0增大時，路面結(jié)構(gòu)的層底應力隨之減小，且減幅逐漸減小。E0從45 MPa增加至250 MPa時：σC(下面層)減幅為6.4 %～14.1 %，σt(基層)減幅為17.3 %～50.1 %，σt(底基層)減幅為17.3 %～50.0 %。

圖6 回彈模量E0—路表彎沉Ls曲線
Fig.6E0-Lscurves

圖7 回彈模量E0—下面層層底壓應力σC(下面層)曲線
Fig.7E0-σC(binder course)curves

圖8 回彈模量E0—基層層底拉應力σt(基層)曲線
Fig.8E0-σt(base)curves

圖9 回彈模量E0—底基層層底拉應力σt(底基層)曲線
Fig.9E0-σt(subbase)curves

2.2.3 宕渣路基對路基頂面壓應變的影響

回彈模量E0—路基頂面壓應變εC曲線如圖10所示，從圖10可知，選取路面結(jié)構(gòu)的E0從45 MPa增加至250 MPa時，εC隨之減小，且減幅逐漸減小，選取路面結(jié)構(gòu)的εC減幅為29.6 %～55.8 %。由上述結(jié)果來看，E0在45～100 MPa變化時，所對應的εC改變較為敏感。

圖10 回彈模量E0—路基頂面壓應變εC曲線Fig.10 E0-εC curves

3 宕渣路基對水穩(wěn)碎石基層厚度的影響

參考黃祁公路的材料設(shè)計參數(shù)，如表6所示[19]。將用宕渣填換土基(E0由45 MPa換為150 MPa)。設(shè)定6種不同的工況，將水泥劑量5 %的水穩(wěn)碎石基層分別設(shè)定34 cm、24 cm、14 cm。層底拉應力σt和路表彎沉Ls兩大指標的ABAQUS模擬結(jié)果如表7所示。

表6 路面結(jié)構(gòu)材料設(shè)計參數(shù)Tab.6 Design parameters of pavement structure materials

表7 不同工況模擬計算結(jié)果Tab.7 Simulation results of different working conditions

根據(jù)上述表7中模擬的結(jié)果，將各工況的基層厚度(t)與層底拉應力σt進行數(shù)學線性回歸，層底拉應力與基層厚度之間均呈對數(shù)關(guān)系，回歸結(jié)果如表8所示。為了能更直觀的探討用宕渣填筑路基的效果，以及對水穩(wěn)基層瀝青路面結(jié)構(gòu)整體的影響。將上述表7做處理，以工況1為基準。其他工況與工況1相除，兩者的比值結(jié)果如表9所示。

表8 基層厚度t與層底拉應力σt的回歸結(jié)果Tab.8 Regression results between the base thickness and σt

表9 不同工況模擬計算結(jié)果比較Tab.9 Comparison results of different working conditions

如表9所示，從工況4至6可以得出，路基的填筑材料為宕渣時，與傳統(tǒng)路基材料相比較，各工況其對應的路表彎沉Ls減幅大于31 %，層底拉應力σt均有所下降。當路基的填筑材料為宕渣時，原始路面結(jié)構(gòu)34 cm厚的基層減薄10 cm為24 cm時，下面層層底拉應力σt(下面層)、底基層層底拉應力σt(底基層)、路表彎沉Ls減幅分別為12.6 %、33.0 %、31.0 %。從路面結(jié)構(gòu)的整體指標來看，減薄厚度的宕渣路基路面結(jié)構(gòu)力學性能仍然優(yōu)于普通路基瀝青路面結(jié)構(gòu)。通過增加路基回彈模量可以使路面結(jié)構(gòu)的基層厚度適當縮減，可以減少工程投資的費用。

4 宕渣路基對超載作用下路面結(jié)構(gòu)的影響

以如表6所示的路面結(jié)構(gòu)為研究對象，進行宕渣路基對超載作用下路面結(jié)構(gòu)的影響。超載軸換算表如表10所示[18]。ABAQUS的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果如表11所示，根據(jù)表11繪制超載對路面結(jié)構(gòu)重要參數(shù)的影響曲線，如圖11～圖13所示，由表11和圖11～圖13可知，超載對于路面結(jié)構(gòu)有嚴重危害，超載作用下路表彎沉Ls、層底拉應力σt、路基頂面壓應變εC明顯增加，行車荷載分別超出標準軸載60 %和120 %時，三個指標的增幅分別為35 %和67 %左右。路表彎沉Ls、面層層底拉應力σt(面層)、底基層層底拉應力σt(底基層)、路基頂面壓應變εC隨著回彈模量E0的增大而逐漸減小，且減幅隨著E0的增加而增大。宕渣填筑路基后Ls、σt(面層)、σt(底基層)、εC減小，減幅范圍分別為23.31 %～38.80 %、4.99 %～11.14 %、20.70 %～47.69 %、32.40 %～59.16 %。故通過增加路基回彈模量可以改善路面結(jié)構(gòu)力學性能。

表10 超載軸換算表Tab.10 Overloadaxle load conversion

表11 超載作用下的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果Tab.11 Results of pavement structure parameters under overloading

圖11 路表彎沉Ls—軸重曲線
Fig.11Ls-axle load curves

圖12 下面層層底拉應力σt(下面層)—軸重曲線
Fig.12σt(binder course)-axle load curves

圖13 路基頂面壓應變εC—軸重曲線Fig.13 εC-axle load curves

5 結(jié)論

①含水率w對級配2的回彈模量E0影響最小，故建議采用級配2的宕渣土石混合料作為路基填筑材料，工程建議值為試驗結(jié)果平均值244 MPa，二次函數(shù)能較好地刻畫w與E0之間的關(guān)系。

②宕渣填筑路基可以顯著提高回彈模量E0，改善路面結(jié)構(gòu)的力學性能，路表彎沉Ls、層底拉應力σt、路基頂面壓應變εC隨著E0的上升而逐漸下降。

③對數(shù)函數(shù)可以很好地刻畫層底拉應力σt與基層厚度之間的關(guān)系。通過增加路基回彈模量可以適當縮減水穩(wěn)基層厚度，減薄厚度的宕渣路基路面結(jié)構(gòu)力學性能仍然優(yōu)于普通路基瀝青路面結(jié)構(gòu)，具有較好的經(jīng)濟效益。

④超載幅度分別為60 %和120 %時，路表彎沉Ls、路基頂面壓應變εC、底基層層底拉應力σt(底基層)、面層層底拉應力σt(面層)的增幅分別為35 %和67 %左右，通過增加路基回彈模量可以改善超載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學性能，宕渣填筑路基后Ls、σt(上面層)、εC的減幅范圍分別為23.31 %～38.80 %、4.99 %～11.14 %、32.40 %～59.16 %。