高模量瀝青混凝土路面力學(xué)性能分析

蔣星川

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400000）

瀝青路面遭受車轍破壞的問題由來已久，針對該問題眾多道路交通專業(yè)學(xué)者都曾提出相關(guān)解決方案。國外學(xué)者為緩解瀝青混凝土路面產(chǎn)生車轍，提出了一種新的瀝青混凝土材料理念——高模量瀝青混凝土（HMAC），這種材料主要的作用原理是通過提高路面模量，從而提高路面的抗車轍能力。經(jīng)過多年的研究表明，該材料具有良好的抗車轍能力，在道路建設(shè)方面受到關(guān)注。國內(nèi)路面相關(guān)的結(jié)構(gòu)研究相對落后，所以，有必要對HMAC材料的路用性能進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析，對比其與普通瀝青混凝土的差異，更好地了解該新型材料的路用特性。

本文主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)對HMAC路面進(jìn)行建模，通過生成的模型對不同荷載作用、不同車速、不同溫度等外界因素影響下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后將HMAC路面計(jì)算得出的數(shù)據(jù)與普通瀝青混凝土的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析該新型材料在提升路面抗車轍能力上的具體表現(xiàn)。依據(jù)這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以更加深入地了解瀝青路面的車轍形成過程，為今后的道路路面建設(shè)提供新的設(shè)計(jì)方案和依據(jù)。

1 HMAC路面模型的建立

1.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，除考慮路面的實(shí)際行車需求外，還要考慮道路工程項(xiàng)目所在地的氣候、地質(zhì)、水文等條件，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適宜的路面結(jié)構(gòu)、選擇所需的路面結(jié)構(gòu)材料，并結(jié)合實(shí)際施工環(huán)境，在現(xiàn)有的材料基礎(chǔ)上選擇最適用的工程材料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。依據(jù)道路使用中預(yù)測的車輛荷載、彎沉指數(shù)和半剛性基層所需承受的拉應(yīng)力推算出設(shè)計(jì)路面的厚度，結(jié)合該計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算路面面層上可能產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)和基層的實(shí)際特性進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在該研究中利用ABAQUS軟件對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。為了盡量縮小路面模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和真實(shí)路面測得數(shù)據(jù)之間的誤差，還要對路面模型做出相應(yīng)的一些假設(shè)，如瀝青面層采用粘彈性理論；路面結(jié)構(gòu)層之間是連續(xù)、均勻、各向同性的；路面響應(yīng)計(jì)算時不考慮路面自身重力和路面橫、縱坡的影響。在此假設(shè)下，設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)并無太大差異，只是將路面結(jié)構(gòu)中的中面層材料換為HMAC材料，因?yàn)橹忻鎸映惺軄碜月访娴暮奢d作用，并將其傳遞到基層和下面層，起到承上啟下的作用，所以，將該高模量瀝青混凝土材料應(yīng)用于中面層能夠起到很好的承受荷載并緩解基層壓力的作用，從而保護(hù)基層不受剪切破壞，就此而言，將該材料應(yīng)用于中面層是一個適宜的實(shí)驗(yàn)方案。

1.2 移動荷載的分布及施壓

在建立的路面模型中，為了較好地反映車輛在道路中行駛時的荷載移動情況，在該研究中假設(shè)車輛輪載與路面等效接觸面積為0.213m×0.157m；為了方便計(jì)算，在此處將模型受力分布簡化為垂直均布矩形分布。因?yàn)檐囕v在行駛時汽車兩側(cè)車輪是對稱情況，且在行駛過程中兩側(cè)車輪的相互影響較小，所以，在模型計(jì)算中對該因素的影響忽略不計(jì)，只需要計(jì)算車輛單側(cè)的車輪數(shù)據(jù)。

1.3 幾何模型的建立

在建立路面模型時，為了減少計(jì)算過程和確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，選擇建立一個長8m、寬6m、厚3m的路面模型。而為了提高有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，要對路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，同時，由于行車荷載作用在模型的移動帶上，所以，在對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用三維六面體八結(jié)點(diǎn)線性減縮積分等參單元，通過該方法建立的網(wǎng)格模型方可使移動帶隨著路面結(jié)構(gòu)層自上向下網(wǎng)格細(xì)化分布，能夠較為真實(shí)地反映車輛荷載在路面結(jié)構(gòu)層的作用和影響。

將模型的計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)中的模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩種模型的應(yīng)力曲線變化基本一致，經(jīng)過驗(yàn)證后可知該模型的計(jì)算結(jié)果具備一定可靠性，計(jì)算數(shù)據(jù)可以用于進(jìn)一步研究分析。

2 移動荷載作用下HMAC路面分析

當(dāng)路面上行駛的車流量較大時，車輛荷載對于路面的作用是在短時間內(nèi)反復(fù)施加的，而這種荷載的反復(fù)作用對于產(chǎn)生路面車轍有著極為重大的影響，所以，研究車輛移動荷載對于產(chǎn)生車轍的影響和研究瀝青路面車轍病害有著重要的意義?？梢栽谥敖⒌穆访婺Ｐ椭性O(shè)置移動荷載作用下的HMAC路面模型，分析車輛的軸重、速度等因素對路面結(jié)構(gòu)的影響，然后再將HMAC路面模型計(jì)算出的數(shù)據(jù)參數(shù)與普通瀝青混凝土路面進(jìn)行對比，從而分析高模量瀝青混凝土在抗車轍破壞時的材料特性。

2.1 基于有限元的HMAC路面模型分析

在此前建立的模型基礎(chǔ)上建立路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力場模型，并選取標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，車輛荷載0.7MPa，車速60km/h，車輛兩側(cè)車輪中心距0.293m，由于在此前的模型中為了方便計(jì)算將荷載設(shè)定為矩形均布荷載。

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和有限元分析理論方法對所選取的A、B、C三點(diǎn)上的HMAC路面進(jìn)行動響應(yīng)分析。通過軟件模擬可以得到路面結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)分析結(jié)果，在這些點(diǎn)中選取力學(xué)響應(yīng)值最大的點(diǎn)，將這些值輸入軟件后會生成一個路面的動響應(yīng)云圖，再根據(jù)動響應(yīng)云圖選取力學(xué)響應(yīng)值最大的點(diǎn)，在這些選取的點(diǎn)中對所需的位移和應(yīng)力值進(jìn)行取值，并對所選取的數(shù)值進(jìn)行分析和對比，通過該方法可以很好地反映HMAC路面各結(jié)構(gòu)層在移動荷載下的力學(xué)響應(yīng)，對路面模型的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析能夠得到該路面在荷載作用下各結(jié)構(gòu)層的受力變形特征，從而了解HMAC路面抵抗車轍的性能。

2.2 不同車速對HMAC路面的影響

不同車速對路面的作用力效果不同，在車速不同時，路面的受力變形情況也有所區(qū)別，分析不同車速下路面結(jié)構(gòu)的受力變形情況，對于研究瀝青路面在車輛荷載作用下車轍變形的情況是十分必要的，因此，在上述所建立的路面模型中保持車輛軸載不變，將車速分別設(shè)置為30km/h、60km/h、90km/h。通過模型計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同車速下HAMC路面動響應(yīng)對比

由數(shù)據(jù)分析可知，在路面所受軸載不變、車速增大時，HMAC路面結(jié)構(gòu)層的各項(xiàng)參數(shù)值都會相應(yīng)地減小。由此可見，提高車速對減小路面的剪應(yīng)變能夠起到一定作用。同時，車輛荷載作用下路面的豎向位移也隨著車速的提高而降低，但降幅較小，只降低了0.009m，所以，車速對于行車荷載對路面結(jié)構(gòu)所造成的豎向位移影響較小，這是因?yàn)樘岣哕囁贂p少車輛在路面上通過某一路段的時間，從而降低車輛荷載對路面的動響應(yīng)值，減少車輛荷載作用對路面的損壞。

2.3 不同軸載對HMAC 路面的影響

從目前的調(diào)查研究可知，車輛的重載和超載是瀝青路面形成車轍等損壞的重要原因之一，所以，分析不同軸載對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)對于了解路面車轍的產(chǎn)生具有重要意義。在此將車速設(shè)置為60km/h，路面加壓力分別為0.7MPa、1.0MPa、1.4MPa、1.8MPa，其計(jì)算比對結(jié)果見表2。

表2 不同軸載下HAMC路面動力響應(yīng)數(shù)據(jù)對比

當(dāng)車速為60km/h，車輛荷載不斷增加時，路面結(jié)構(gòu)層中各項(xiàng)參數(shù)均顯著增大；當(dāng)車輛荷載由0.7MPa增加到1.4MPa時，表2中的各計(jì)算參數(shù)絕對值最小增加了90%，最大增加了140%；當(dāng)荷載由1.4MPa繼續(xù)增加至1.8MPa時，各計(jì)算參數(shù)絕對值增加了26%～32%。由以上分析可知，當(dāng)軸載增大時，路面結(jié)構(gòu)層中的剪應(yīng)變、剪應(yīng)力也顯著增大，會導(dǎo)致路面產(chǎn)生不均勻沉降，從而造成車轍等路面損壞。由此可見，治理超載對于保護(hù)路面結(jié)構(gòu)免受破壞具有重要意義。

3 HMAC路面與普通瀝青混凝土路面變形對比

在將HMAC路面和普通瀝青路面的抗車轍性能進(jìn)行對比時，建模方式與上述HMAC路面的建模方式相同，其中不同的地方是將中面層的高模量瀝青混凝土材料換為普通瀝青材料AC-20。

從該模型的計(jì)算中可以得到普通瀝青混凝土面層的相對最大車轍值，再與HMAC路面的相對最大車轍值進(jìn)行對比分析。兩種路面計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 瀝青面層各結(jié)構(gòu)研究點(diǎn)變形值

通過表3數(shù)據(jù)分析可知，普通瀝青混凝土路面模型中計(jì)算出的各結(jié)構(gòu)層變形值都高于HMAC路面。由此可見，HMAC材料可以有效降低路面各結(jié)構(gòu)層的相對最大變形量，對提高瀝青路面抗車轍能力效果顯著。如果高等級的瀝青路面中能夠大面積使用該材料，將大大降低瀝青路面出現(xiàn)前期車轍病害的時間和概率，對延長道路的使用壽命具有積極作用。

4 結(jié)語

本文通過對高模量瀝青混凝土路面進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，由計(jì)算結(jié)果分析瀝青路面車轍的力學(xué)響應(yīng)，得出以下相關(guān)結(jié)論：

相比于普通瀝青混凝土路面而言，高模量瀝青混凝土（HMAC）路面具有較好的抗車轍能力，當(dāng)在路面上施加不同的荷載時，兩種路面的力學(xué)響應(yīng)趨勢與荷載的增大趨勢基本一致，但經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，HMAC路面的應(yīng)變變形程度是明顯小于普通瀝青混凝土路面的。除此之外，HMAC路面各結(jié)構(gòu)層在受到外界荷載作用下的蠕變變形要小于普通瀝青混凝土路面，且普通混凝土路面形成車轍的速度要明顯大于HMAC路面。雖然，高模量瀝青材料對抗車轍能夠起到一定效果，但抗車轍效用的高低取決于是否合理、科學(xué)地使用該材料。通過分析計(jì)算可以得知，HMAC材料應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)的中面層，厚度在6～8cm最為適宜。

此外，本文是在計(jì)算機(jī)建立的模型上進(jìn)行計(jì)算分析，有許多實(shí)際因素?zé)o法被計(jì)算在模型范圍內(nèi)，如在進(jìn)行路面荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)分析時沒有考慮路面的不平整度對響應(yīng)結(jié)果的影響；在溫度場的模擬中沒有考慮熱量傳遞在各結(jié)構(gòu)層對溫度的累積效果。所以，在以后的研究中希望可以完善該分析方法的不足，改進(jìn)分析理論和模型，在更加完善的理論和模型支持下對抗車轍混凝土材料進(jìn)行進(jìn)一步研究分析，以此求得更加接近實(shí)際使用情況的實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)，為抗車轍瀝青材料的推廣和應(yīng)用提供更加科學(xué)的理論依據(jù)和指導(dǎo)。