柔性基層長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

張健， 謝波

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

中國(guó)大部分路面以半剛性基層為主，路面使用壽命往往達(dá)不到預(yù)期要求，在未達(dá)到使用年限時(shí)路面就出現(xiàn)大量車(chē)轍、泛油、疲勞開(kāi)裂、沉陷和裂縫等早期損害。歐美等國(guó)家針對(duì)厚瀝青砼結(jié)構(gòu)和全厚式結(jié)構(gòu)提出柔性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，并對(duì)柔性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各結(jié)構(gòu)層材料選擇和混合料選擇與設(shè)計(jì)等進(jìn)行了研究。柔性基層具有高溫穩(wěn)定性好、低溫抗裂性好、抗疲勞開(kāi)裂的優(yōu)點(diǎn)，且柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)早期病害少、使用壽命長(zhǎng)。

近年來(lái)長(zhǎng)壽命瀝青路面成為熱門(mén)課題。孫立軍等通過(guò)對(duì)以往路面的調(diào)查研究，認(rèn)識(shí)到力學(xué)理論不能完全解決路面損壞問(wèn)題，并通過(guò)闡述路面損壞特性及機(jī)理，建立了路面結(jié)構(gòu)行為方程，提出了全壽命設(shè)計(jì)的概念及流程；鄭健龍?zhí)岢隽嘶诮Y(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)新思想；崔鵬等采用SHELL、AI等方法對(duì)國(guó)外長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行修正，提出了適用于中國(guó)的長(zhǎng)壽命柔性基層瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)。該文建立有限元模型，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)層厚度和基層厚度、彈性模量等參數(shù)的多種組合，分析長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)對(duì)路表彎沉、瀝青面層底拉應(yīng)變、土基頂壓應(yīng)變的影響，為長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

路面設(shè)計(jì)計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN,以BZZ-100表示，計(jì)算荷載與JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載(BZZ-100)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1?？紤]到荷載與路面結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，采用軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)對(duì)路面進(jìn)行分析，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑取為20 cm。

表1 軸載計(jì)算參數(shù)

有限元模型見(jiàn)圖1。模型材料單元為183Plane。約束模型左邊界的X方向位移，固定模型右邊界和底邊界。

f為橫斷面長(zhǎng)度，取一條車(chē)道；g為輪胎接地圓半徑

中國(guó)耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)為：瀝青層底拉應(yīng)變不大于120 με，土基頂面壓應(yīng)變不大于280 με，路表彎沉值小于35 (0.01 mm)。在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，若這3項(xiàng)指標(biāo)都能滿足，則定義為長(zhǎng)壽命瀝青路面。雖然最新的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范廢除了彎沉值這一傳統(tǒng)指標(biāo)，但考慮到彎沉與路面結(jié)構(gòu)的各種損壞形式和使用功能評(píng)價(jià)均有一定聯(lián)系，繼續(xù)保留彎沉指標(biāo)。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)擬定

擬定長(zhǎng)壽命柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為5～12 cm SMA-13+15～38 cm AC-20+8～16 cm 瀝青穩(wěn)定碎石+10～50 cm級(jí)配碎石+土基(見(jiàn)圖2)。

圖2 多層軸對(duì)稱(chēng)模型

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，選定表2所示瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 瀝青層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響分析

瀝青層厚度設(shè)計(jì)為10～50 cm，取瀝青層厚度20、23、26、29、32、35、38、41、44、47和50 cm進(jìn)行分析，并在相同瀝青層厚度下調(diào)整基層和土基層等結(jié)構(gòu)層參數(shù)在各自范圍內(nèi)取最值進(jìn)行正交組合，分析不同瀝青層厚度對(duì)各設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)組合見(jiàn)表3，不同瀝青層厚度下彎沉、瀝青層底拉應(yīng)變和土基頂壓應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

表3 結(jié)構(gòu)參數(shù)組合

由圖3可知：隨著瀝青層厚度的增加，彎沉大體呈降低趨勢(shì)。瀝青層厚度從20 cm增加到25 cm時(shí)，大部分組合的彎沉值不滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面指標(biāo)要求；瀝青層厚度不斷增加的過(guò)程中，不同最值正交組合對(duì)應(yīng)的彎沉值不斷降低，瀝青層厚度增加到40cm時(shí)，滿足和不滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)的組合近似各占一半，故還需綜合考慮其他因素；瀝青層厚度繼續(xù)增加，絕大部分路面結(jié)構(gòu)組合的路表彎沉能滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面指標(biāo)要求。

圖3 瀝青層厚度對(duì)路表彎沉的影響

由圖4可知：隨著瀝青層厚度的增加，瀝青層底拉應(yīng)變大體呈降低趨勢(shì)，個(gè)別組合近似成反比例關(guān)系。瀝青層厚度從20 cm增加到35 cm時(shí)，大部分組合的瀝青層底拉應(yīng)變始終大于長(zhǎng)壽命瀝青路面層底拉應(yīng)變臨界值120 με，不滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面要求；瀝青層厚度不斷增加的過(guò)程中，不同最值正交組合對(duì)應(yīng)的瀝青層底拉應(yīng)變不斷降低，瀝青層厚度增加到45 cm時(shí)，滿足和不滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)的組合近似各占一半，故還需綜合考慮其他因素；瀝青層厚度繼續(xù)增加，大部分路面結(jié)構(gòu)組合的瀝青層底拉應(yīng)變能滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面指標(biāo)要求。

圖4 瀝青層厚度對(duì)瀝青層底拉應(yīng)變的影響

由圖5可知：隨著瀝青層厚度的增加，土基頂壓應(yīng)變大體呈降低趨勢(shì)。瀝青層厚度為20 cm時(shí)，一半以上路面結(jié)構(gòu)組合的土基頂壓應(yīng)變無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)壽命瀝青路面要求；瀝青層厚度從20 cm增加到40 cm時(shí)，滿足和不滿足長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)的組合近似各占一半，還需綜合考慮其他因素；瀝青層厚度從40 cm繼續(xù)增加，大部分路面結(jié)構(gòu)組合的土基頂壓應(yīng)變小于臨界值280 με，能達(dá)到長(zhǎng)壽命瀝青路面要求。

圖5 瀝青層厚度對(duì)土基頂壓應(yīng)變的影響

綜上，瀝青層厚度小于35 cm時(shí)，無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)壽命瀝青路面要求；瀝青層厚度大于或等于50 cm時(shí)，路面滿足長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)要求。新規(guī)范中各材料的動(dòng)態(tài)模量與舊版相比顯著增大，對(duì)各控制指標(biāo)值有所影響。綜合考慮路面結(jié)構(gòu)材料性能和造價(jià)等因素，瀝青面層厚度宜控制在50 cm內(nèi)。

4 柔性底基層參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響分析

通過(guò)調(diào)整柔性底基層厚度及相同柔性底基層厚度下面層、基層和土基層等參數(shù)，分析柔性底基層厚度對(duì)瀝青層底拉應(yīng)變、土基頂壓應(yīng)變和彎沉的影響。柔性底基層厚度設(shè)為10～50 cm，分別取底基層厚度10、15、20、25、30、35、40、45、50和55 cm進(jìn)行分析，并在相同底基層厚度下調(diào)整面層和土基層等結(jié)構(gòu)層參數(shù)在各自范圍內(nèi)取最值進(jìn)行正交組合。不同柔性底基層厚度下組合4的瀝青層底拉應(yīng)變、土基頂壓應(yīng)變和彎沉見(jiàn)圖6。

圖6 柔性底基層厚度影響分析

由圖6可知：隨著柔性底基層厚度的增加，土基頂壓應(yīng)變和瀝青層底拉應(yīng)變降低。柔性底基層厚度從45 cm增加時(shí)，瀝青層底拉應(yīng)變小于極限層底拉應(yīng)變120 με；柔性底基層厚度從40 cm增加時(shí)，土基頂壓應(yīng)變小于臨界值280 με；路表彎沉隨柔性底基層厚度的變化較平緩，柔性底基層厚度從40 cm增加時(shí)，路表彎沉小于極限彎沉35 (0.01 mm)。

綜上，隨柔性底基層厚度的增加，瀝青層底拉應(yīng)變、土基頂壓應(yīng)變和彎沉3個(gè)控制指標(biāo)逐漸降低，且降低幅度均逐漸減小，其中土基頂壓應(yīng)變變化幅度較大。綜合考慮路面材料性能和造價(jià)等方面因素，柔性底基層厚度宜控制在45 cm內(nèi)。

5 結(jié)論

(1) 瀝青層厚度是瀝青層底拉應(yīng)變的主要影響參數(shù)，考慮路面材料結(jié)構(gòu)性能和造價(jià)等方面因素，瀝青層厚度宜控制在50 cm內(nèi)。

(2) 柔性底基層厚度對(duì)瀝青層底拉應(yīng)變、土基頂壓應(yīng)變和彎沉的影響較大，是土基頂壓應(yīng)變的主要影響因素。綜合考慮，柔性底基層厚度宜控制在45 cm內(nèi)。

(3) 新規(guī)范采用材料的動(dòng)態(tài)模量，隨著動(dòng)態(tài)模量的增加，計(jì)算的各指標(biāo)數(shù)值顯著降低，瀝青層厚度和柔性底基層厚度也有所降低。