基于結(jié)構(gòu)層模量衰減的半剛性瀝青路面力學(xué)分析

王圣棋

摘要 考慮路面結(jié)構(gòu)層模量隨著半剛性瀝青路面服役時間的增加而持續(xù)衰減的特性，文章采用有限元數(shù)值分析方法，建立半剛性瀝青路面三維有限元模型，研究瀝青路面面層模量衰減、基層與底基層模量衰減、路面結(jié)構(gòu)層模量整體衰減對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路表彎沉的影響最大，其次是基層與底基層模量的衰減，路基的衰減對路表的彎沉影響最小。

關(guān)鍵詞 半剛性瀝青路面；模量衰減；有限元分析；力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號 U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0140-03

0 引言

從結(jié)構(gòu)形式上看，我國主要路面結(jié)構(gòu)形式為半剛性基層瀝青路面，占比超過了95%。半剛性基層瀝青路面受車輛和環(huán)境的影響，結(jié)構(gòu)層模量逐漸衰減，然而在我國瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)層驗算，依舊采用初始設(shè)計值充當(dāng)整個半剛性瀝青路面壽命周期的模量，未考慮基層模量衰減的實際情況[1-3]，導(dǎo)致半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)驗算不能為后期路面大中修養(yǎng)護(hù)提供理論參考和依據(jù)。為此，國內(nèi)外學(xué)者對半剛性基層瀝青路面模量的衰減如何影響瀝青路面的力學(xué)性能作了大量研究。

南非采用分階段衰減的思路進(jìn)行半剛性基層瀝青路面設(shè)計[4-5]，馬林[6]等針對超長服役的半剛性基層模量衰減進(jìn)行了研究，但沒有考慮面層模量也會隨著路面服役年限的增加而逐漸衰減；王建章[7]等通過采用Abaqus有限元軟件對半剛性基層受力狀況進(jìn)行了分析，并考慮基層模量的衰減對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，建立了一種評價半剛性基層結(jié)構(gòu)損傷程度的方法；曹丹丹[8]等采用反演的方法對移動荷載作用下的路面力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，證明了以彎沉盆反演得到各個結(jié)構(gòu)層模量的變化可以描述瀝青路面結(jié)構(gòu)層性能的衰減。

采用有限元數(shù)值分析方法，建立半剛性瀝青路面三維有限元模型，研究瀝青路面面層模量衰減、基層與底基層模量衰減、路面結(jié)構(gòu)層模量整體衰減對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，以期為服役末期的半剛性瀝青路面進(jìn)行大中修養(yǎng)護(hù)提供理論參考和依據(jù)。

1 路面模量取值

對路面結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行檢測時，常采用落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，F(xiàn)WD）測出路表彎沉10。采用Abaqus有限元軟件進(jìn)行仿真分析時，宜將路面結(jié)構(gòu)層模量設(shè)置成動態(tài)模量，并參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）規(guī)定的取值范圍，路面結(jié)構(gòu)層初始取值如表1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

采用Abaqus有限元軟件建立尺寸為6 m×5 m×3 m的路面三維數(shù)值模型。路面模型分為四層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為 18 cm瀝青面層、36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層、路基。如圖1所示。對模型采用不等間距劃分網(wǎng)格，從四周逐漸向中心位置區(qū)域加密，尺寸由0.15 m到0.03 m，荷載施加區(qū)的網(wǎng)格密度設(shè)置為0.03 m×0.03 m，如圖2所示。

2.2 施加荷載

在模型路表中心施加7t-FWD，模擬標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，7t-FWD荷載變化曲線如圖3所示。

2.3 路基衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持面層和基層結(jié)構(gòu)層參數(shù)不變，路基彈性模量取值范圍在40～200 MPa，具體取值如表2所示。利用Abaqus有限元軟件對路面強度進(jìn)行分析，提取荷載加載區(qū)中心位置的最大彎沉值作為路表彎沉，具體計算結(jié)果如表3所示。

由表3計算結(jié)果可知，路基模量從200 MPa衰減至40 MPa時，即路基模量衰減80%，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至8.2（0.01 mm），增幅為60.8%。

2.4 面層衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持基層、底基層及路基的模量不變，上面層、中面層及下面層模量同時從0%衰減至80%，且衰減比例保持相同，具體如表4所示，具體計算結(jié)果如表5所示。

由表5計算結(jié)果可知，面層模量衰減80%時，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至10.3（0.01 mm），增幅為101.9%。

2.5 基層底基層模量衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持上面層、中面層、下面層及路基的模量不變，基層模量從0%衰減至80%，與此同時底基層從0%衰減至40%，具體如表6所示，計算結(jié)果如表7所示。

由表7計算結(jié)果可知，基層模量從0%衰減至80%，底基層從0%衰減至40%，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至10.1（0.01 mm），增幅為98%。

2.6 路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持路基模量不變，上面層、中面層、下面層、基層及底基層模量同時衰減，面層逐漸衰減至80%、基層逐漸衰減至40%、底基層逐漸衰減至20%，具體如表8所示，計算結(jié)果如表9所示。

由表9計算結(jié)果可知，面層逐漸衰減至80%、基層逐漸衰減至40%、底基層逐漸衰減至20%，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至11.89（0.01 mm），增幅為133.3%。

將以上路面接結(jié)構(gòu)衰減類別進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

綜上所述，路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路表彎沉的影響最大，其次是基層底基層模量的衰減及面層的衰減，路基模量的衰減對路面結(jié)構(gòu)整體強度影響較小。

3 結(jié)論

（1）路基模量衰減80%時，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至8.2（0.01 mm），增幅為60.8%，說明路基模量衰減會對路表彎沉造成一定的影響，但不足以影響到路面結(jié)構(gòu)的使用功能，其路表彎沉仍然保持在正常水平范圍。

（2）面層模量衰減、基層與底基層模量衰減及路面整體結(jié)構(gòu)模量衰減都會對路表彎沉造成較大的影響，且會影響路面結(jié)構(gòu)強度。

（3）路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路表彎沉的影響最大，其次是基層底基層模量的衰減及面層的衰減，路基模量的衰減對路面結(jié)構(gòu)整體強度影響較小。

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