快速干線瀝青路面結(jié)構(gòu)改造方案比選分析

肖杰

(常德市交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 湖南 常德 415000)

隨著城市交通流量的逐年增加及道路設(shè)計(jì)年限的臨近，部分城市主要干道出現(xiàn)較嚴(yán)重的車轍、開裂、沉降、擁包等病害，給行車舒適性及安全帶來嚴(yán)重影響，老舊路面結(jié)構(gòu)改造成為當(dāng)今熱點(diǎn)課題。針對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)，彭宏圖通過將3種混合式基層路面結(jié)構(gòu)和半剛性基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞特性分析，得出混合式基層瀝青路面更適合大交通量高速公路的需求；何創(chuàng)等采用ABAQUS軟件模擬計(jì)算重載交通條件下軸重、基層模量及厚度對(duì)半剛性基層瀝青路面面層力學(xué)響應(yīng)的影響，得到對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響大小為軸載>基層厚度>基層模量；王海燕等研究重載交通作用下兩種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，得到不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)的分布特征及變化規(guī)律。上述研究大多分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的指標(biāo)影響，對(duì)城市道路瀝青路面結(jié)構(gòu)比選的研究較為欠缺?；诖耍撐囊阅晨焖俑删€瀝青路面改造工程為研究背景，運(yùn)用ABAQUS軟件建立路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，針對(duì)4種瀝青路面結(jié)構(gòu)展開力學(xué)性能對(duì)比分析，并結(jié)合規(guī)范預(yù)估路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能，為城市道路路面結(jié)構(gòu)提升改造提供參考。

1 工程背景

某快速干線全長約9.5 km，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，原路面結(jié)構(gòu)為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石+20 cm級(jí)配碎石+20 cm級(jí)配碎石，總厚度為68 cm。由于該路段交通流量過大，路面產(chǎn)生大量龜裂、車轍、坑槽、沉降等病害，給道路運(yùn)營安全帶來嚴(yán)重影響，需進(jìn)行提升改造?？紤]到原路面結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，已無法滿足現(xiàn)狀交通需求，提出3種路面結(jié)構(gòu)改造比選方案：

(1) 結(jié)構(gòu)A為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+16 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 4%水穩(wěn)碎石。

(2) 結(jié)構(gòu)B為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石+20 cm 5%水穩(wěn)碎石+20 cm 4%水穩(wěn)碎石。

(3) 結(jié)構(gòu)C為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+16 cm級(jí)配碎石+17 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 4%水穩(wěn)碎石。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

運(yùn)用ABAQUS軟件建立路面結(jié)構(gòu)三維模型，模型尺寸為5 m×5 m×6 m(長×寬×深)，單元類型為三維六面體八節(jié)點(diǎn)單元，各結(jié)構(gòu)層間完全連續(xù)。計(jì)算模型中假設(shè)X向?yàn)樾熊嚪较?、Y向?yàn)槁贩较?、Z向?yàn)樯疃确较?。邊界條件為X、Y方向均軸向約束，頂面完全自由，底部固定約束。路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1。

2.2 荷載計(jì)算參數(shù)

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，荷載計(jì)算圖示分為4種，考慮到現(xiàn)代重載車輛行駛時(shí)輪胎的接地面積和輪壓會(huì)隨著軸載增加而逐漸增大，但輪中心距不變，選取圖2所示荷載作用圖式。為簡化計(jì)算，將車輪荷載簡化為均布矩形荷載，擬定4種軸載進(jìn)行計(jì)算，軸載參數(shù)見表1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2 荷載作用圖示

表1 軸載計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 力學(xué)性能對(duì)比分析

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立4種瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，模擬荷載布置為雙輪矩形均布豎向荷載，計(jì)算點(diǎn)選取車輪荷載正下方中心，對(duì)不同軸載作用下各瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)展開對(duì)比分析。

3.1 路表彎沉

不同軸載作用下4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉見圖3。

圖3 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉

由圖3可知：隨著軸載的增加，各路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉均增大；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原路面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的最大彎沉分別為0.661、0.492、0.48、0.54 mm，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的最大彎沉分別為1.881、1.377、1.345、1.512 mm，結(jié)構(gòu)A、B、C的彎沉增幅均小于原路面結(jié)構(gòu)，超載對(duì)原結(jié)構(gòu)路面彎沉的影響較明顯；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉大小為原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)C>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)B，原因是原結(jié)構(gòu)底基層采用模量較小的級(jí)配碎石，而結(jié)構(gòu)A、B、C底基層均采用模量較大的水穩(wěn)碎石，故原結(jié)構(gòu)整體承載能力最差。

3.2 瀝青層最大拉應(yīng)力

不同軸載作用下4種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底最大拉應(yīng)力見圖4。

圖4 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)力

由圖4可知：隨著軸載的增加，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)力均呈增大趨勢；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的最大拉應(yīng)力分別為0.11、0.102、0.082、0.128 MPa，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分別為0.318、0.287、0.230、0.378 MPa，結(jié)構(gòu)C的最大拉應(yīng)力增幅比其他路面結(jié)構(gòu)大，超載情況下結(jié)構(gòu)C路面容易產(chǎn)生開裂損壞；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力大小為結(jié)構(gòu)C>原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)B，結(jié)構(gòu)B的抗開裂性能較好。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，是防災(zāi)、減災(zāi)工作重要的環(huán)節(jié)[1]，其核心內(nèi)容為確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值。目前權(quán)重確定方法很多，大致可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法[1]。常見的主觀賦權(quán)法有層次分析法[3-5]、專家調(diào)查法[6]、最小平方法[7]、環(huán)比評(píng)分法[8]等。主觀賦權(quán)法運(yùn)用時(shí)間長、較成熟，但美中不足的是結(jié)果具有明顯的主觀性、隨意性和缺乏客觀判斷的局限性。常見的客觀賦權(quán)法有確定性系數(shù)[9]、熵值法[10]、變異系數(shù)法[11-12]、多目標(biāo)規(guī)劃法[13]等?？陀^賦權(quán)法建立在數(shù)學(xué)理論之上，但前提是有充足的數(shù)據(jù)作為支撐，推廣性和融入性較差，難以體現(xiàn)決策者對(duì)不同賦權(quán)因子的重視程度。

3.3 瀝青層最大拉應(yīng)變

不同軸載作用下4種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底最大拉應(yīng)變見圖5。

圖5 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變

由圖5可知：隨著軸載的增加，4種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變均呈增大趨勢；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原路面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的最大拉應(yīng)變分別為159.6、133.6、126.3、179.2 με，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)變分別為456.9、378.1、353.6、511.8 με，結(jié)構(gòu)A、B和原結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變?cè)龇∮诼访娼Y(jié)構(gòu)C，超載對(duì)結(jié)構(gòu)C瀝青層最大拉應(yīng)變的影響明顯，其路面抗疲勞損傷性能較差；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變大小為結(jié)構(gòu)C>原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)B，結(jié)構(gòu)B的抗疲勞損傷性能較好。

3.4 土基頂部壓應(yīng)變

不同軸載作用下4種路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變見圖6。

圖6 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變

由圖6可知：隨著軸載的增加，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變均呈增大趨勢；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的土基頂部壓應(yīng)變分別為433.1、222.3、226.9、251.9 με，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變分別為1 222.9、627.4、635.3、725.3 με，原結(jié)構(gòu)土基頂部壓應(yīng)變?cè)龇绕渌访娼Y(jié)構(gòu)大，原結(jié)構(gòu)路面在超載情況下容易產(chǎn)生永久變形損傷，使路面產(chǎn)生車轍、沉降等病害；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變大小為原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)C>結(jié)構(gòu)B>結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)A、B路面土基頂部的壓應(yīng)變較小，其永久變形損傷程度較小，永久變形損傷壽命較長。

4 路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對(duì)比分析

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，彎沉與疲勞壽命的關(guān)系如下：

(1)

式中：ld為彎沉值；Ne為車道累計(jì)當(dāng)量軸次；Ac、As、Ab分別為路面類型系數(shù)、面層類型系數(shù)和等級(jí)系數(shù)。

Ne=(600/ld)5

(2)

按式(2)計(jì)算，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命見表3。

表3 各瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命

由表3可知：4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大小為結(jié)構(gòu)B>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)C>原結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)B的疲勞壽命遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)，其疲勞性能較優(yōu)。

5 結(jié)論

以某快速干線瀝青路面改造工程為研究背景，借助ABAQUS有限元軟件對(duì)原路面結(jié)構(gòu)和3種路面改造結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比分析，并結(jié)合規(guī)范預(yù)估路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著軸載的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎

沉、瀝青層最大拉應(yīng)力、瀝青層最大拉應(yīng)力及土基頂部壓應(yīng)變均呈增大趨勢。

(2) 水穩(wěn)碎石底基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的承載能力相較于級(jí)配碎石底基層更優(yōu)。

(3) 4種瀝青路面結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)B(瀝青穩(wěn)定碎石上基層+水穩(wěn)碎石下基層和底基層)的承載能力、抗開裂能力、抗變形能力及抗疲勞能力均較優(yōu)，瀝青路面結(jié)構(gòu)改造方案建議選用結(jié)構(gòu)B。