直投式高模量典型路面結構力學性能研究

于恒峰 王玉平

（1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽建工技師學院，安徽 合肥 230088）

0 引言

針對高速公路早期損壞問題，業(yè)內對路面結構形式、新型路面材料等方面開展了許多研究，直投式高模量瀝青混合料便是其中之一。該材料在歐洲國家應用已有30多年，但在我國的應用尚處于初期階段。本文對高模量典型路面結構在面層模量、面層厚度、荷載等因素變化條件下各個力學指標的變化規(guī)律，旨在為該種材料的使用提供一定的技術支持。

1 高模量典型路面結構有限元計算模型

1.1 典型路面結構參數(shù)的確定

典型路面結構參數(shù)見表1所示。

表1 典型路面結構參數(shù)

1.2 模型計算尺寸及假設條件

由于受模型尺寸的限制，在進行ANSYS分析時，模型的尺寸不能無窮大[1]。因此，計算模型尺寸要在滿足計算精度的前提下盡可能小，以減少計算工作量。在行車荷載作用處單元網(wǎng)格劃分加密，考慮到計算速度和計算量，在其他部分適當粗化。

網(wǎng)格劃分如下：面層荷載作用區(qū)與非荷載區(qū)尺寸分別為0.02m×0.02m、0.05m×0.02m；水穩(wěn)層荷載區(qū)與非荷載區(qū)的尺寸分別為0.1m×0.02m、0.lm×0.05m；地基荷載區(qū)與非荷載區(qū)的尺寸分別為0.2m×0.02m、0.2m×0.05m。

建模過程路基深度取2m，長度取3m，寬度取5m。其中X軸代表路面橫向，Y軸代表行車方向，Z軸代表深度方向，計算采用solid45實體單元。

計算采用以下假設為前提：

（1）各層連續(xù)、完全彈性且各向同性；

（2）各層為厚度有限、水平無限，但底層在各方向為無限大；

（3）各層水平方向無限遠處各指標為零，最下一層無限深處各指標為零；

（4）各層均不計算其自重。

1.3 荷載作用方式

輪胎荷載在路面上的分布是不均勻的，但現(xiàn)有的試驗條件和測試手段及軟件均難以模擬這種不均勻荷載，同時高模量混合料本身是一種彈性材料，不均勻荷載作用其上時會發(fā)生受力的重新分布，所以，常常將荷載簡化為矩形的均勻荷載，以方便計算。

本文計算時荷載采用國家標準荷載BZZ-100，輪胎標準壓強采用0.7MPa。

2 高模量層模量的影響

瀝青路面結構產(chǎn)生車轍的主要結構層為中面層，所以為控制車轍的產(chǎn)生，可提高中面層的模量和抗剪切強度，因此，對高模量層的模量敏感性進行分析，模量取值范圍1.0×104～1.9×104MPa，以1.0×103MPa為間距，分析荷載中心下應力應變等力學指標的變化情況，以便確定較為合理的混合料模量范圍[2]。

由圖1可知，隨著中面層模量的增加，上面層壓應力逐漸減小，且減小趨勢逐漸減緩，中面層應力隨中面層模量的增加基本成線性增加，且由壓應力變?yōu)槔瓚?，由于下基層拉應力基本無變化，在模量為1.7×104MPa時，整個路面結構中的最大拉應力已由下基層轉移至中面層，因此，中面層模量不宜超過1.7×104MPa。其他各層應力均隨著中面層模量的增加而減小。

圖1 應力隨中面層模量的變化趨勢

與應力變化趨勢類似，上面層壓應變隨著中面層模量的增加不斷減小，且減小趨勢逐漸減緩，中面層應變隨中面層模量的增加先增加后減小，最大拉應變出現(xiàn)在中面層，其余應變在中面層模量變化時均略有減小[3]。

由圖2 可知，隨著中面層模量的增加，當中面層模量從1.0×104MPa 增加到1.9×104MPa 時，剪應力最大值增大36.6%。因此，從有利于中面層及各結構層受力的角度上來說，高模量路面的模量也不宜過高。且剪應力最大值由中面層頂面轉移到中面層下部，位置發(fā)生了變化。

圖2 最大剪應力隨中面層模量的變化趨勢

各結構層的變形均隨高模量層模量的增加逐漸減小，但減小的趨勢由快到慢，因此，從有利于中面層變形上來說，高模量層的模量也不宜過高。

由上述分析可以看出，增大高模量層的模量可以有效改善路面的受力和變形，但高模量層的模量達到一定數(shù)值之后，各項指標的變化趨于變緩，表明結構層抵抗變形的能力已不明顯。因此，存在一個合適的高模量層模量區(qū)間，考慮工程成本，建議高模量層模量區(qū)間為1.4×104~1.7×104MPa。

3 瀝青面層厚度的影響

提高高模量層的厚度，可有效降低面層的最大剪應力和變形，提高路面結構的耐久性，但同時考慮到生產(chǎn)成本，厚度不宜過厚，否則將增加工程的整體造價，中面層厚度取值范圍4～12cm，下面層厚度取值范圍6～15cm，以1cm 為間距，分析荷載中心下的應力應變等力學指標的變化趨勢，以便確定較為合理的高模量層厚度范圍。

隨著高模量層厚度的增加，高模量層的應力不斷增加，由圖3可以看出，當高模量層厚度>8cm 時，應力增加幅度逐漸減緩；隨高模量層厚度的增加，上面層應力略有增加，高模量層以下層位的應力均略有減小，這是由于上面層為直接承受車輪荷載的結構層，高模量層的模量較高，厚度增加時形成的硬殼層變厚，導致荷載難以傳遞到高模量層以下層位。

圖3 應力隨中面層厚度的變化趨勢

與應力變化趨勢類似，隨著中面層厚度的增加，下面層應變逐漸減??；中面層應變先增加后減小，其余各層應變變化不大。

隨著中面層厚度的增加，瀝青路面內剪應力變化不大，但中下面層剪應力減小較快，因此，可采用增加高模量層的厚度以達到減小中面層剪應力的效果。當高模量層厚度為10cm 左右時，最大剪應力在上面層出現(xiàn)，高模量層厚度繼續(xù)增加，最大剪應力一致位于上面層，但數(shù)值變化不大。由此可以看出，增加高模量層厚度，可減小最大剪應力，減小路面車轍的發(fā)生，但高模量層過厚時，其減小剪應力的效果已經(jīng)不明顯，且高模量材料較普通混合料價格要高，經(jīng)濟上也不具有優(yōu)勢。所以，兼顧路面的受力和工程的經(jīng)濟性，高模量層厚度建議為6~8cm。

各層變形隨中面層模量的增加逐漸減小，且減小趨勢逐漸變慢，因此，中面層的厚度也不能過大。最大剪應力隨中面層厚度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 最大剪應力隨中面層厚度的變化趨勢

4 荷載因素的影響

典型車型隨著我國社會經(jīng)濟和交通運輸事業(yè)的發(fā)展不斷變化，目前朝著大型化和小型化兩個方向發(fā)展，中等型號的車輛由于經(jīng)濟性不佳，而逐漸減少。重型車輛由于具有重量大、載貨多等特點，也給路面帶來了嚴峻的考驗，容易導致車轍、剪切破壞等早期病害。

為了分析高模量瀝青路面結構在重載車輛作用下的變形特點，采用前述模型計算在100kN、130kN、150kN、180kN、200kN、230kN、250kN、280kN、300kN 軸載作用下，路面結構的力學響應。重載換算方法采用H-K方法[4]。

不同軸荷載作用下，上面層處于受壓狀態(tài)，隨著深度的增加，輪隙中心下的壓應力迅速增大；中面層拉應力逐漸減小，并由拉應力變?yōu)閴簯??；鶎拥谆鶎泳幱谑芾瓲顟B(tài)，且隨著荷載的增加明顯增大，最大值始終出現(xiàn)在下基層底面（如圖5所示），底基層拉應力數(shù)值與下基層相近。

圖5 應力隨荷載的變化趨勢

上面層壓應變隨著荷載的增加而增加，中面層拉應變隨著荷載的增加先增加后減小，但變化幅度較小，下基層、底基層、功能層的壓應變隨著荷載的增加而增加，且變化幅度較大，底基層、功能層的壓應變很快超過了中面層，荷載較大時，最大拉應變出現(xiàn)在功能層。

由圖6可以看出，面層內剪應力隨荷載的增大而不斷增加，荷載增加時高模量層產(chǎn)生的流動性車轍將變大，且最大剪應力主要位于4~10cm范圍，主要是中面層范圍內，因此，中面層混合料應具有良好的抗車轍性能。

圖6 最大剪應力隨荷載的變化趨勢

隨著荷載的增加，各層變形成線性增加，且變形增加倍數(shù)與荷載增加倍數(shù)基本相同。如荷載從100kN 增大至300kN，荷載為標準荷載的3倍，路表變形為標準荷載作用下的2.75倍。

5 結束語

綜上所述，得出如下結論：

（1）以1.0×103MPa為間距，分析了不同模量下的高模量路面結構各層的力學響應，根據(jù)各層應力、應變、剪應力和變形的變化趨勢，建議高模量范圍為1.4×104~1.7×104MPa。

（2）分析了不同厚度高模量層下的路面結構各層的力學響應，根據(jù)各層應力、應變、剪應力和變形的變化趨勢，建議高模量中面層厚度范圍為6cm左右。

（3）分析了不同軸載作用下的路面結構各層的力學響應，隨著荷載的增加，上面層壓應力和壓應變隨著荷載的增加迅速增大；中面層隨著荷載的增加，逐漸由拉應力變?yōu)閴簯Α；鶎拥谆鶎泳幱谑芾瓲顟B(tài)，且隨著荷載的增加而增大，最大拉應力始終出現(xiàn)在下基層底面。各層變形呈線性增加，且變形增加倍數(shù)與荷載增加倍數(shù)基本相同。