不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及經(jīng)濟性對比分析

全文義

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，烏魯木齊 831100)

0 引言

由于瀝青路面具有施養(yǎng)簡便、行車舒適、平整耐磨等優(yōu)點，故廣泛應(yīng)用于我國高速公路工程建設(shè)中[1-2]。隨著我國經(jīng)濟及交通的迅速發(fā)展， 導(dǎo)致高速公路的交通現(xiàn)狀逐漸表現(xiàn)為流量大、速度高、軸載重的特點，因此瀝青路面在超載重載長期作用下經(jīng)常容易產(chǎn)生車轍、開裂等病害，使得瀝青路面的使用性能及壽命降低， 從而嚴(yán)重影響到高速公路的行車舒適和安全[3-5]。

近年來， 國內(nèi)學(xué)者已在高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)對比方面進(jìn)行了大量研究，如操宇航等[6]通過建立珠三角地區(qū)三種典型高速公路路面結(jié)構(gòu)的使用性能衰變方程， 得出各路面結(jié)構(gòu)的使用性能曲線變化規(guī)律；黃民如等[7]通過對不同基層形式的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能對比分析，得到混合式基層的路面疲勞壽命性和使用性能更優(yōu)；馮學(xué)茂[8]運用BISAR 軟件模擬計算了三種混合式基層瀝青路面的應(yīng)力、 應(yīng)變， 得出混合式基層瀝青路面的力學(xué)特性。盡管在瀝青路面方面已獲得較多研究成果，但其使用性能和經(jīng)濟性仍是當(dāng)前研究的熱點課題?；诖?，本文以某地區(qū)高速公路的三種瀝青路面結(jié)構(gòu)為研究背景， 運用ABAQUS 有限元軟件計算了不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)， 并根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的造價和疲勞壽命對各路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟性對比分析， 旨為高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考及借鑒。

1 路面結(jié)構(gòu)選取

通過對某地區(qū)高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的調(diào)查， 選取三種代表性路面結(jié)構(gòu)作為研究對象。依照現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG T50-2017)確定各路面結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)如表1 所示。

表1 混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

2 模型建立

2.1 荷載計算參數(shù)

計算荷載采用 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG T50-2017)中標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，為了便于模擬計算，將荷載作用形式簡化成均布矩形荷載，其中軸載為100kN，輪胎地壓為0.7MPa，具體計算方案如圖1 所示。

圖1 荷載計算示意圖

2.2 計算模型

通過運用ABAQUS 軟件分別建立三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，模型尺寸中長寬均為5m，深度為6m，單元類型為C3D8R，各結(jié)構(gòu)層層間完全連續(xù)，選取0.01m 作為近似全局網(wǎng)格布種尺寸， 模型中假設(shè)X、Y、Z分別為行車方向、路幅方向和深度方向，邊界條件假設(shè)為X 和Y 方向均軸向約束， 頂面完全自由， 底部則固定約束，具體路面結(jié)構(gòu)模型和單元劃分如圖2 所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)計算模型及單元劃分

3 力學(xué)性能分析

3.1 路表彎沉

通過對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下三種瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計算， 得到各瀝青路面結(jié)構(gòu)在輪隙中心處的路表彎沉值如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可知， 在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值大小依次為：結(jié)構(gòu)一＞結(jié)構(gòu)二＞結(jié)構(gòu)三，其中結(jié)構(gòu)一輪隙中心處的路表彎沉值為0.572mm， 結(jié)構(gòu)二輪隙中心處的路表彎沉值為0.435mm， 結(jié)構(gòu)三輪隙中心處的路表彎沉值為0.416mm。 三種瀝青路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)一產(chǎn)生的路表彎沉比其余路面結(jié)構(gòu)更明顯， 結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三產(chǎn)生的路表彎沉則比較小， 其原因是由于結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三均為水泥穩(wěn)定碎石底基層， 而結(jié)構(gòu)一為級配碎石底基層，水泥穩(wěn)定碎石的彈性模量遠(yuǎn)大于級配碎石，因此結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三在相同軸載作用下的整體承載能力更優(yōu)。

圖3 不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉對比

3.2 拉應(yīng)力

通過建立三種瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型， 針對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力進(jìn)行模擬計算，得出不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力對比情況如圖4 所示。

圖4 不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力對比

由圖4 可知， 在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下三種瀝青路面結(jié)構(gòu)中基層、底基層的層底拉應(yīng)力值均大于0，即基層拉應(yīng)力表現(xiàn)為受拉，而瀝青層上面層、中面層和下面層的層底拉應(yīng)力均小于0，即瀝青層拉應(yīng)力表現(xiàn)為受壓，且隨著路表深度的增加，當(dāng)軸載反復(fù)作用時，基層和瀝青層會分別產(chǎn)生壓應(yīng)力、拉應(yīng)力壓縮變形，因此在瀝青層與基層的連接處比較容易產(chǎn)生剪切破壞。 三種路面結(jié)構(gòu)的基層層底拉應(yīng)力值分別為0.13MPa、0.16MPa、0.05MPa，即結(jié)構(gòu)一、二的基層層底拉應(yīng)力明顯要大于結(jié)構(gòu)三，說明結(jié)構(gòu)一、二的受力最不利位置處于基層層底； 而底基層層底拉應(yīng)力值分別為0.07MPa、0.09MPa、0.11MPa，即結(jié)構(gòu)一、二的底基層層底拉應(yīng)力要小于結(jié)構(gòu)三， 則說明結(jié)構(gòu)三受力最不利位置處于底基層層底。 三種路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)三的瀝青層層底拉應(yīng)力最小，說明結(jié)構(gòu)三抗拉開裂性能良好。

3.3 壓應(yīng)力

通過建立三種瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型， 針對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的層底壓應(yīng)力展開模擬計算，得出不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力對比情況如圖5 所示。

圖5 不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力對比

根據(jù)圖5 可知，隨著深度的增加，三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的各層底壓應(yīng)力均呈逐漸減小變化趨勢， 其中各瀝青路面結(jié)構(gòu)的基層層底與底基層層底產(chǎn)生的壓應(yīng)力較小，而瀝青層產(chǎn)生的壓應(yīng)力均則較大， 表明瀝青層較于基層和底基層更容易產(chǎn)生壓密變形破壞。 各瀝青路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)二層底產(chǎn)生的壓應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)一、三，因此結(jié)構(gòu)二的抗壓變形性能較好。

3.4 剪應(yīng)力

瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗剪切破壞能力主要是由剪應(yīng)力來表征， 通常情況下瀝青路面產(chǎn)生的剪應(yīng)力主要集中于路面結(jié)構(gòu)中的瀝青面層。 通過對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下三種瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算， 得到各瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層剪應(yīng)力如圖6 所示。

圖6 不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力對比

由圖6 可知，隨著路表深度的增加，三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層剪應(yīng)力均呈先增大后減小變化趨勢， 其中結(jié)構(gòu)一的最大剪應(yīng)力值為0.0275MPa， 結(jié)構(gòu)二最大剪應(yīng)力值為0.0234MPa， 結(jié)構(gòu)三最大剪應(yīng)力值為0.0241MPa，各路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力值都處于距路表深度6～10cm 范圍內(nèi)，說明剪應(yīng)力對瀝青面層中面層、下面層的影響較為明顯。軸載作用下瀝青面層產(chǎn)生的剪應(yīng)力越大，路面轍槽破壞越明顯， 三種路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)一瀝青面層產(chǎn)生的剪應(yīng)力最大，說明結(jié)構(gòu)一路面容易產(chǎn)生轍槽病害，而結(jié)構(gòu)二剪應(yīng)力最小，說明結(jié)構(gòu)二的抗轍槽能力最好。

4 經(jīng)濟性分析

通過對瀝青路面結(jié)構(gòu)的造價進(jìn)行預(yù)算， 分別得到結(jié)構(gòu)一、 二、 三的造價約為265.8 元/m2、208.5 元/m2、211.6元/m2，其中結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)二造價較低，但結(jié)構(gòu)三與結(jié)構(gòu)二的造價差距不大。 由于路面結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性需要考慮造價與使用壽命兩個方面，因此需計算各路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG T50-2017)中彎沉與疲勞壽命關(guān)系式：

式(1)中：Ac、As、Ab按規(guī)范取值為1；Id為彎沉值；Ne為車道累計當(dāng)量軸次。

將式(1)簡化為Id=600Ne-0.2，即可轉(zhuǎn)化成Ne=(600/Id)5，計算得出各瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命如表2 所示。

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命

根據(jù)表2 可知， 三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的極限累計當(dāng)量軸次分別為1.27×1015、4.99×1015、6.24×1015次/車道， 其中結(jié)構(gòu)三的疲勞壽命最大， 說明結(jié)構(gòu)三路面的抗疲勞性能優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。 將路面造價/極限累計當(dāng)量軸次即能計算出三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的性價比分別為20.9×10-14、4.18×10-14、3.39×10-14元/次， 由此可知結(jié)構(gòu)三路面的經(jīng)濟性能最好。

5 結(jié)語

通過對某地區(qū)高速公路的三種代表性瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)和經(jīng)濟性對比研究，得到如下結(jié)論：

(1)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值大小依次為：結(jié)構(gòu)一＞結(jié)構(gòu)二＞結(jié)構(gòu)三，其中結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)三彎沉差距較小，說明結(jié)構(gòu)二、三路面均具有較好的承載能力。

(2)三種瀝青路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)一、二的受力最不利位置處于基層層底， 結(jié)構(gòu)三受力最不利位置處于底基層層底；結(jié)構(gòu)三的瀝青層層底拉應(yīng)力最小，其具有較好抗拉開裂性能。

(3)隨著路表深度的增加，三種瀝青路面各層底壓應(yīng)力均逐漸減小；結(jié)構(gòu)二各層底壓應(yīng)力均小于其他結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)二抗壓變形性能最好。

(4)隨著路表深度的增加，各瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層剪應(yīng)力均呈先增后減變化； 三種路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)二最大剪應(yīng)力值最小，故其抗轍槽能力最好。

(5)綜合經(jīng)濟性可得，三種瀝青路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)三造價最低，疲勞壽命最長，性價比最好，因此同等情況下推薦優(yōu)選結(jié)構(gòu)三。