耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)比選研究

(1.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計院股份有限公司，浙江 杭州 310001；2.浙江工業(yè)大學(xué) 工程設(shè)計集團有限公司，浙江 杭州 310001)

0 引言

隨著我國交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，公路交通現(xiàn)狀呈現(xiàn)出流量大、速度高、軸載重的特征，其中部分公路路面長期處于超載重載環(huán)境下容易出現(xiàn)車轍、開裂等路面病害，導(dǎo)致路面經(jīng)常需要進行大規(guī)模養(yǎng)護，給社會經(jīng)濟帶來巨大的損失，因此如何建設(shè)出耐久性更好的瀝青路面結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)今道路研究者的重點關(guān)注課題[1-5]。

目前，國內(nèi)學(xué)者針對耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)展開了不少研究，如楊三強等[6]研究了荒漠環(huán)境下耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)及力學(xué)分布規(guī)律；宋楊等[7]研究了不同結(jié)構(gòu)層參數(shù)對柔性基層耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)指標(biāo)影響；許新權(quán)等[8]以廣東省某公路碾壓混凝土基層的耐久性瀝青路面為例，研究了碾壓混凝土瀝青路面結(jié)構(gòu)的使用性能及力學(xué)性能。由于在公路耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)比選方面的研究相對較少，基于此，本文以某新建公路工程為背景，運用ABAQUS軟件建立路面結(jié)構(gòu)三維模型，針對工程初步設(shè)計供選的三種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行力學(xué)響應(yīng)和疲勞壽命對比分析，得出結(jié)果可為公路設(shè)計提供有效參考及借鑒。

1 工程背景

以某新建公路工程為背景，該公路主線路線全長為55.8 km，路基寬度為33.5 m，全路段按雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計時速為120 km/h，設(shè)計使用年限為15 a，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100 kN。工程初步設(shè)計供選路面結(jié)構(gòu)有碾壓混凝土(RCC)基層路面、加強型半剛性基層路面、倒裝式半剛性基層路面三種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，且瀝青路面結(jié)構(gòu)的各結(jié)構(gòu)層厚度組合均有所差異，具體路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 三種耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計參數(shù)Table 1 Three durable asphalt pavement structures and material design parameters結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)一結(jié)構(gòu)二結(jié)構(gòu)三4 cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土(E=1 600,μ=0.35)面層6 cm中粒式改性瀝青混凝土(E=1 500,μ=0.35)8 cm粗粒式瀝青混凝土(E=1 200,μ=0.35)基層22cm碾壓混凝土(E=5000,μ=0.2)18 cm水穩(wěn)碎石(E=3 000,μ=0.2)18 cm水穩(wěn)碎石(E=3 000,μ=0.2)18 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)18 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)20 cm級配碎石(E=250,μ=0.3)20 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)底基層19 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)19 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)19 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)19 cm水穩(wěn)碎石(E=1 500,μ=0.2)—墊層18 cm級配碎石(E=250,μ=0.3)——土基土(E=35,μ=0.35)土(E=35,μ=0.35)土(E=35,μ=0.35)總厚度96 cm92 cm94 cm注:E為材料模量,MPa;μ為泊松比。

2 模型建立

2.1 假定條件

在模擬過程中邊界條件假設(shè)為路面結(jié)構(gòu)頂部完全自由，底部固定約束，其余方向則均軸向約束，且各結(jié)構(gòu)層層間接觸條件為完全連續(xù)。模型中假設(shè)X為行車方向，Y為路幅方向，Z為路面深度方向。

2.2 計算荷載

模型中計算荷載選取標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓力取0.7 MPa，當(dāng)量圓半徑為10.65 cm，荷載圓中心間距31.95 cm，為了便于加載與模擬計算，將荷載接地形狀簡化為矩形均布荷載形式，具體荷載形式見圖1。

圖1 荷載作用圖示Figure 1 Load action diagram

2.3 有限元計算模型

通過運用ABAQUS軟件建立三種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元計算模型，模型尺寸中長度為8 m，寬度為6 m，深度為6 m，路面結(jié)構(gòu)均采用C3D8R單元類型。各路面結(jié)構(gòu)模型中瀝青面層均采用粘彈性本構(gòu)模型，其余結(jié)構(gòu)層材料則均采用線彈性模型，具體路面結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元計算模型Figure 2 Finite element calculation model of pavement structure

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)對比分析

通過運用ABAQUS軟件建立耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，模擬過程中施加雙輪矩形均布豎向軸載，選取輪隙中心O沿路幅Y方向的斷面展開力學(xué)響應(yīng)對比分析[9]。

3.1 路表彎沉

軸載作用下3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉沿路幅方向的分布結(jié)果見圖3。

圖3 路表彎沉變化曲線Figure 3 Road surface deflection curve

由圖3可知，隨著距輪隙中心距離的增大，3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉均呈先增大后減小變化趨勢，當(dāng)距輪胎中心處越近時，各瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值越大，而距輪胎中心處越遠時，路表彎沉值則越??；3種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉均在輪胎中心處達到峰值，其中結(jié)構(gòu)一路表彎沉峰值為0.214 mm，結(jié)構(gòu)二路表彎沉峰值為0.218 mm，結(jié)構(gòu)三路表彎沉峰值為0.276 mm，且輪隙中心處的路表彎沉值均比輪胎中心處較小。在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值由大到小為：結(jié)構(gòu)三>結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)一，其中結(jié)構(gòu)一、二的路表彎沉差距較小，說明加強型半剛性基層、RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的承載能力更優(yōu)。

3.2 瀝青層層底拉應(yīng)變

軸載作用下3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底拉應(yīng)變沿路幅方向的分布結(jié)果見圖4。

圖4 瀝青層層底拉應(yīng)變變化曲線Figure 4 Underline strain curve of asphalt layer

根據(jù)圖4可知，3種耐久性瀝青基層路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底拉應(yīng)變在輪胎附近處均大于0，且隨著距輪隙中心距離的增大呈先增后減變化，各路面結(jié)構(gòu)在輪胎中心處的瀝青層層底拉應(yīng)變達到峰值，其中結(jié)構(gòu)一的瀝青層層底拉應(yīng)變峰值為7.02 με，結(jié)構(gòu)二的瀝青層層底拉應(yīng)變峰值為6.82 με，結(jié)構(gòu)三的瀝青層層底拉應(yīng)變峰值為7.99 με；當(dāng)距輪系中心距離超過輪胎外邊緣后，各路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底拉應(yīng)變均小于0，即表現(xiàn)為壓應(yīng)變，且隨著距輪隙中心距離的增大逐漸減小。在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底拉應(yīng)變由大到小為：結(jié)構(gòu)三>結(jié)構(gòu)一>結(jié)構(gòu)二，且瀝青層層底拉應(yīng)變差距較小，說明各耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)均具有良好的抗疲勞損傷性能和使用性能。

3.3 層底拉應(yīng)力

軸載作用下3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的各關(guān)鍵層底拉應(yīng)力沿路幅方向的分布結(jié)果見圖5。

(a) 結(jié)構(gòu)一

(b) 結(jié)構(gòu)二(c) 結(jié)構(gòu)三

Figure 5 Curve of the tensile stress of the key layer of the pavement structure

由圖5可知，3種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層下面層層底拉應(yīng)力均表現(xiàn)為受壓，且隨著距輪隙中心距離增大呈先增后減變化；而半剛性基層和底基層層底拉應(yīng)力則表現(xiàn)為受拉，隨著距離增大逐漸減小。瀝青下面層層底拉應(yīng)力峰值均位于輪隙中心處，其大小依次為：結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)一>結(jié)構(gòu)三，說明倒裝式半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的抗拉開裂性能較優(yōu)；半剛性基層和底基層的層底拉應(yīng)力則均位于輪胎中心處，其層底拉應(yīng)力由大到小為：結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)三>結(jié)構(gòu)一，說明RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗拉壓性能較優(yōu)。

4 瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比分析

為比較3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，根據(jù)文獻[10-11]中公路路面結(jié)構(gòu)的彎沉值與疲勞壽命關(guān)系：

(1)

式中：Id表示彎沉值；Ne表示車道累計當(dāng)量軸次；Ac、As、Ab分別表示路面類型系數(shù)、面層類型系數(shù)和等級系數(shù)，按規(guī)范均取值為1。

圖6 路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比Figure 6 Comparison of fatigue life of pavement structure

由圖6可知，3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的極限累計當(dāng)量軸次分別為17.33×1016、15.79×1016、4.86×1016次/車道，路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命由大到小為：結(jié)構(gòu)一>結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)三，說明RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力較優(yōu)。

5 結(jié)語

以某新建公路工程為背景，通過對工程初步設(shè)計供選的3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行力學(xué)響應(yīng)和疲勞壽命對比分析，得出以下結(jié)論：

a.隨著距輪隙中心距離的增大，3種耐久性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉均呈先增大后減小變化；RCC基層、加強型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉峰值較于倒裝式半剛性基層路面要小，因此路面結(jié)構(gòu)的承載能力更優(yōu)。

b.3種耐久性瀝青基層路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底拉應(yīng)變差距較小，故均具有良好的抗疲勞損傷性能和使用性能。

c.倒裝式半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的瀝青下面層層底拉應(yīng)力峰值較小，故抗拉開裂性能較優(yōu)；RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的半剛性基層和底基層的層底拉應(yīng)力較小，故抗拉壓性能較優(yōu)。

d.RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命較于其余兩種路面結(jié)構(gòu)要小，故RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力較優(yōu)。

e.綜合分析可得，3種耐久性瀝青基層路面結(jié)構(gòu)中RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的各項性能較優(yōu)，故工程路面結(jié)構(gòu)推薦RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。