倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面疲勞性能分析

劉昕宇， 楊保興， 魏有軍

（1.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125；3.山東省煙臺(tái)市龍口公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，山東 煙臺(tái) 265700）

由于設(shè)計(jì)、施工規(guī)范日趨完善，施工機(jī)械性能和施工技術(shù)不斷提高，半剛性基層瀝青路面成為我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要形式；但隨著交通量不斷增長(zhǎng)，瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象非常嚴(yán)重。如何解決瀝青路面耐久性差、使用壽命短的問(wèn)題已經(jīng)成為新時(shí)期建設(shè)的主要方向之一。

從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，半剛性基層材料的模量期望值在材料設(shè)計(jì)中不易實(shí)現(xiàn)。雖然半剛性基層的荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)，有利于減薄路面厚度、降低造價(jià)，但是過(guò)高的模量會(huì)導(dǎo)致基層底面易發(fā)生開(kāi)裂，進(jìn)而形成反射裂縫[1]。將半剛性基層作為底基層、級(jí)配碎石作為基層的倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面，由于半剛性基層的整體性及級(jí)配碎石的排水和過(guò)渡作用，不僅具有良好的整體性能，而且具有整體的軟土地基適應(yīng)性[2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面已經(jīng)有了一些研究。易量[3]對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面的級(jí)配碎石層厚度進(jìn)行影響分析；陳東鵬等[4]主要針對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面的面層層底拉應(yīng)變進(jìn)行分析研究；牛敏強(qiáng)等[5]認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂壽命驗(yàn)算分兩階段進(jìn)行并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行壽命測(cè)算。但是，對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面受力疲勞后的力學(xué)特性的研究較少；此外，針對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面兩階段受力特性，尚無(wú)不同模型間的比較分析與不同因素的影響研究。本文基于瀝青材料與無(wú)機(jī)結(jié)合料的疲勞壽命方程，利用數(shù)值分析軟件對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行分析，為倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面的研究和質(zhì)量控制提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力特性

1.1 結(jié)構(gòu)與環(huán)境參數(shù)選取

倒裝結(jié)構(gòu)是福建等我國(guó)南方省份使用的典型路面結(jié)構(gòu)[6]。各材料層參數(shù)取值結(jié)合JTGD 50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的設(shè)計(jì)參數(shù)。見(jiàn)表1。

表1 倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面各材料層參數(shù)

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)通常采用雙圓均布荷載，標(biāo)準(zhǔn)軸載為0.7 MPa，轉(zhuǎn)換為平面后為11 7371 Pa，在數(shù)值分析軟件中也采用此參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1.2 受力特性

受力狀態(tài)根據(jù)半剛性基層是否失效破壞，呈現(xiàn)明顯的兩階段，見(jiàn)圖1。

圖1 倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面受力狀態(tài)

對(duì)該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算可分兩階段。第一階段主要考慮半剛性基層的疲勞壽命，相對(duì)半剛性基層，瀝青層產(chǎn)生的疲勞很小，可近似看作不發(fā)生疲勞；第二階段半剛性基層發(fā)生破壞，承載力大幅下降，瀝青層成為主要承拉層，水穩(wěn)層破壞后可近似視為級(jí)配碎石層，因此設(shè)定半剛性基層破壞后回彈模量為700 MPa 進(jìn)行第二階段瀝青層疲勞壽命計(jì)算模擬。計(jì)算過(guò)程中，將瀝青層兩階段的壽命和視為總壽命。

式中：LS——倒裝結(jié)構(gòu)總壽命；

Lc——半剛性基層失效時(shí)瀝青層的壽命衰減，即結(jié)構(gòu)一階段壽命；

La——瀝青層二階段壽命。

2 疲勞損傷模型與疲勞壽命計(jì)算

2.1 基于損傷力學(xué)的疲勞損傷研究

車輛荷載作用會(huì)使路面材料產(chǎn)生微裂縫、微孔隙等損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降，一般用疲勞損傷模型表征。損傷模型可以展現(xiàn)路面性能變化的全過(guò)程，為道路使用性能的觀察提供一定指導(dǎo)。

損傷力學(xué)最早起源于1958 年，Kachanov L M[7]將連續(xù)度和有效應(yīng)力概念引入金屬材料蠕變損傷來(lái)進(jìn)行模擬分析；之后直到20 世紀(jì)70 年代后期，Lemaitre等利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，把損傷因子進(jìn)一步推廣為一種場(chǎng)變量，逐漸形成了連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)學(xué)科[8]。損傷力學(xué)誕生于金屬材料領(lǐng)域，在這方面的研究較早且深入，而將其應(yīng)用于道路領(lǐng)域的研究則相對(duì)較晚，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水泥混凝土和瀝青混合料方面也進(jìn)行了一定程度地研究。

孫志林[9]利用有限元對(duì)比分析了Miner 線性損傷模型和Chaboche 非線性損傷模型在瀝青路面應(yīng)用中的適用性并討論了混合料模量、結(jié)構(gòu)層厚度等參數(shù)對(duì)損傷場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布特性的影響，最終得出Chaboche非線性損傷模型更符合路面的實(shí)際情況。韋金城[10]修正Chaboche非線性疲勞損傷模型，利用有限元對(duì)小梁試件進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性。賴正聰[11]基于不確定模型的概率統(tǒng)計(jì)理論建立可靠度疲勞損傷模型并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了損傷模型的適用性。蘇雅玲等[12]同樣借助損傷力學(xué)，建立疲勞壽命服從正態(tài)分布的可靠度模型，計(jì)算可靠度保障率下的損傷變量并與傳統(tǒng)力學(xué)演化模型結(jié)合，判斷構(gòu)件的損傷程度。

目前，國(guó)內(nèi)外損傷力學(xué)的研究在水穩(wěn)碎石和瀝青混合料的材料特性較多，而由于路面結(jié)構(gòu)的差異，尚無(wú)研究將其整合應(yīng)用于倒裝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)壽命計(jì)算的。本文針對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面，利用數(shù)值分析并基于疲勞模型進(jìn)行壽命計(jì)算。

2.2 模型確定與計(jì)算

目前，常用的疲勞損傷理論主要是Miner 線性疲勞損傷模型與Chaboche 非線性疲勞損傷模型。由于Chaboche 非線性疲勞損傷模型的損傷積累與有效應(yīng)力有關(guān)，考慮了疲勞損傷發(fā)展過(guò)程中的材料力學(xué)性能劣化，與疲勞試驗(yàn)和實(shí)際工程運(yùn)行情況的結(jié)果相似；因此選用Chaboche 非線性模型進(jìn)行倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面疲勞行為分析。

式中：D——損傷變量；

N——荷載作用次數(shù)；

σ——荷載應(yīng)力水平；

a*——與荷載有關(guān)的材料參數(shù)；

p，q——與溫度有關(guān)的材料參數(shù)。

計(jì)算過(guò)程中，q一般取0，其余參數(shù)參照相關(guān)研究數(shù)據(jù)[13～14]進(jìn)行取值，見(jiàn)表2。

表2 倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面各材料層參數(shù)

計(jì)算可知，采用當(dāng)前結(jié)構(gòu)層參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在各層材料與施工滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，第一階段疲勞壽命約為1 000 萬(wàn)當(dāng)量軸次；二階段剩余疲勞壽命約為1 000 萬(wàn)當(dāng)量軸次，結(jié)構(gòu)總疲勞壽命約為2 000 萬(wàn)當(dāng)量軸次。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)疲勞壽命影響分析

為明確各層材料對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面疲勞壽命的影響，分別研究瀝青上中面層、瀝青處治碎石下面層、級(jí)配碎石層、半剛性基層及路基對(duì)兩階段壽命的影響。

3.1 瀝青上中面層對(duì)結(jié)構(gòu)影響與優(yōu)化建議

保持其余結(jié)構(gòu)層參數(shù)不變，瀝青上中面層模量的增加對(duì)于疲勞壽命雖有提升，但效果并不明顯。見(jiàn)圖2。

圖2 瀝青上中面層模量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

正常模量范圍內(nèi)的瀝青面層混合料模量對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞影響較小；但高模量瀝青混合料的應(yīng)用能夠改善瀝青層底部以及半剛性基層的受力狀態(tài)，主要作用在于控制中上面層的車轍。另外，高模量瀝青混合料低溫抗裂性差，應(yīng)因地制宜考慮是否提升模量。

3.2 瀝青處治碎石層對(duì)結(jié)構(gòu)影響與優(yōu)化建議

增加瀝青處治碎石（ATB）層厚度可以降低半剛性基層層底拉應(yīng)力，從而提高半剛性基層與瀝青層的壽命；ATB 層的厚度主要影響瀝青層的壽命。見(jiàn)圖3。

圖3 瀝青處治基層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

增加ATB 層模量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響并不明顯，隨著模量的增加，二階段壽命逐漸減小。見(jiàn)圖4。

圖4 瀝青處治基層模量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

ATB 層模量的提高會(huì)導(dǎo)致層底拉應(yīng)力增加，從而使ATB 層處于不利的受力狀態(tài)，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面而言，增加ATB 層厚度能夠明顯改善瀝青層的受力狀態(tài)，進(jìn)而明顯改變結(jié)構(gòu)壽命，從而適用于重載交通；但相應(yīng)的工程造價(jià)也會(huì)顯著提高，在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合工程需要與造價(jià)情況進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)。

3.3 級(jí)配碎石層對(duì)結(jié)構(gòu)影響與優(yōu)化建議

級(jí)配碎石層厚度的增加，降低半剛性基層底部的拉應(yīng)力，提高半剛性基層的壽命；但由于瀝青層下的結(jié)構(gòu)本就較厚，因此級(jí)配碎石層厚度的增加并不能大幅減小瀝青層底拉應(yīng)力，故對(duì)于瀝青層壽命的影響很小。見(jiàn)圖5。

圖5 級(jí)配碎石層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

級(jí)配碎石層模量的增加也會(huì)提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。從材料角度看，級(jí)配碎石為非線彈性材料，其模量受圍壓、豎向應(yīng)力等環(huán)境因素影響顯著，過(guò)厚的級(jí)配碎石層并不利于承載力的提高；此外，級(jí)配碎石層模量的變化對(duì)半剛性基層的壽命影響很小，但其對(duì)第二階段瀝青層壽命有顯著的影響。見(jiàn)圖6。

圖6 級(jí)配碎石層模量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

實(shí)際工程中，由于施工工藝的限制，級(jí)配碎石的模量有時(shí)無(wú)法達(dá)到實(shí)際要求，這就需要完善相應(yīng)施工工藝，保證壓實(shí)質(zhì)量，以提高倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面的使用壽命。

綜上所述，級(jí)配碎石厚度對(duì)于瀝青層壽命的影響很小且厚度的增加還有可能帶來(lái)壓實(shí)困難等問(wèn)題，從而影響上部瀝青層的壽命，因此通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)配碎石層厚度提高結(jié)構(gòu)壽命并不是理想的措施；而級(jí)配碎石層模量提高能夠明顯降低ATB 層底的拉應(yīng)變并提升ATB 層的疲勞壽命。因此，應(yīng)注重控制級(jí)配碎石層施工工藝以及施工質(zhì)量，盡量提升其壓實(shí)質(zhì)量，以提高級(jí)配碎石層模量，從而有利于改善瀝青結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命。

3.4 半剛性基層對(duì)結(jié)構(gòu)影響與優(yōu)化建議

半剛性基層厚度對(duì)半剛性結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響顯著，隨厚度增加近乎呈指數(shù)型增長(zhǎng)；對(duì)于結(jié)構(gòu)的第二階段壽命也有較大程度的提升。見(jiàn)圖7。

圖7 半剛性基層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

由于破壞后的模量假設(shè)，半剛性的模量變化只對(duì)第一階段壽命有效。隨著半剛性基層模量的增加，一階段壽命近似線性下降。見(jiàn)圖8。

圖8 半剛性基層模量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

因此，從保障結(jié)構(gòu)疲勞壽命角度，半剛性基層采用低劑量水穩(wěn)碎石，即低模量材料，對(duì)結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)疲勞壽命是有利的。

綜上所述，增加半剛性基層厚度能夠顯著提升半剛性基層的疲勞壽命。相對(duì)增加瀝青層厚度或改善級(jí)配碎石層模量而言，增加半剛性基層厚度是最有效且最經(jīng)濟(jì)的方法。

半剛性基層模量的提高容易導(dǎo)致其層底拉應(yīng)力增大，使得半剛性基層處于不利受力狀態(tài)，進(jìn)而影響半剛性基層疲勞壽命和結(jié)構(gòu)疲勞壽命；因此進(jìn)行半剛性基層設(shè)計(jì)時(shí)，在保證抗壓、抗拉強(qiáng)度等硬性要求基礎(chǔ)上，模量盡量控制在JTGD 50—2017 要求的低值以改善層底的受力狀態(tài)。施工過(guò)程中一定要規(guī)范管理，控制水灰比，將半剛性基層的模量控制在相應(yīng)范圍內(nèi)，以防止模量過(guò)高導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞。

3.5 路基層對(duì)結(jié)構(gòu)影響與優(yōu)化建議

路基是保證路面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的關(guān)鍵。路基模量對(duì)半剛性基層疲勞壽命的影響較大，模量＜80 MPa時(shí)近似線性相關(guān)；而對(duì)二階段的疲勞壽命影響較小。見(jiàn)圖9。

圖9 路基模量對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響

路基模量對(duì)總壽命的影響主要是通過(guò)影響半剛性基層的壽命實(shí)現(xiàn)的。路基模量的提升能夠改善半剛性基層層底的受力狀態(tài)，從而提升結(jié)構(gòu)疲勞壽命；因此，為保證路基承載力與長(zhǎng)期使用性能，在施工過(guò)程中應(yīng)保證路基的壓實(shí)質(zhì)量與均勻性。

4 結(jié)論與建議

在設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)該嚴(yán)格控制路基的施工質(zhì)量，采用較低模量的水穩(wěn)碎石，以保證倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面的正常使用。其他層盡量在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，使用高模量材料與強(qiáng)壓實(shí)工藝。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，半剛性基層破壞后的模量并非由9 000 MPa 突然下降至700 MPa；因此，計(jì)算過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況仍存在一定偏差，對(duì)半剛性基層破壞后的承載力變化仍需進(jìn)一步研究確定，以便修正瀝青路面的壽命計(jì)算。