半剛性基層瀝青路面-路基協調設計

周燕青

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶　400074)

YUAN Jun, HUANG Xiaoming. The resilient deformation characteristics of graded gravel [J].China Journal of Highway and Transport, 2007,27(6):29-33.

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半剛性基層瀝青路面-路基協調設計

周燕青

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶400074)

摘要：基于大型通用有限元軟件ABAQUS，建立兩種典型半剛性基層瀝青路面結構的三維有限元模型，針對3種路基高度和4種路基回彈模量，計算半波正弦荷載作用下路面結構的動態響應，結合半剛性路面各結構層疲勞壽命預估方程，分析路面結構疲勞壽命隨路基回彈模量變化的規律和相互協調問題。結合交通等級標準，確定滿足不同交通等級的臨界路基模量。分析表明：路基模量對瀝青層疲勞壽命影響較小，對半剛性基層和永久變形預估壽命影響較大；路基高度對半剛性基層路面各結構層疲勞壽命的影響均較小，尤其是對瀝青層疲勞壽命影響更小；具有柔性底基層的半剛性路面結構的臨界路基模量比具有半剛性底基層的路面結構大。

關鍵詞：瀝青路面；半剛性基層；路基模量；有限元分析；疲勞壽命；路面-路基協調設計

半剛性基層瀝青路面板體性好，承載能力強，造價低，一直是我國高速公路瀝青路面的主要結構形式。隨著軸載和交通量的增大，大量路面出現了開裂、坑槽、水損害等早期病害，在達到設計年限之前需要進行大規模重建[1-2]。文獻[3]指出，路基設計參數對路面病害的發生具有重要影響。我國現行的瀝青路面設計方法，僅規定了路基回彈模量的下限[4]。而在公路路基設計方法中，通過控制路基填料的加州承載比(California bearing ratio，CBR)和壓實度間接保證路基性能[5]，并未考慮具體的路面結構形式。路基與路面設計基本是分離的，忽略了路基與路面的相互作用和協同工作。

鑒于此，本文選取典型的半剛性基層瀝青路面結構，應用ABAQUS有限元軟件，計算不同路基模量和路基高度下路面結構的動力響應，基于已有的半剛性基層瀝青路面性能預估模型，分析各結構層預估壽命隨路基模量的變化規律和相互協調性問題，并進一步結合交通等級標準，確定滿足不同交通等級的路基模量范圍。

1路面結構與有限元模型

1.1路面結構與材料參數

選取典型的半剛性基層瀝青路面結構，各結構層材料均采用動態模量，其中，瀝青面層按一層考慮，選用20 ℃、10 Hz條件下的代表動態抗壓模量，瀝青混合料參數:混合料類型為AC-16,瀝青體積分數為10.8%,有效瀝青體積分數為10.1%,空隙率為4.1%[6-9]。基層、底基層動態模量選用相關資料的推薦值[4，10-11]，路基高度分別取1、2、3 m；路基動態模量E分別取40、60、90、120 MPa。路面各結構層厚度和動態模量如表1所示。

1.2動載與模型參數

計算荷載采用標準軸載單軸雙輪組100 kN，采用文獻[12]給出的半波正弦荷載模擬其動態作用，隨時間變化的荷載

式中：Pmax為荷載作用的峰值，標準軸載時取0.70 MPa；T為荷載作用周期，s，T=12a/v，其中v為車輛行駛速度，m·s-1，a為輪胎接地面積當量圓半徑，m，標準軸載時取0.106 5 m。

表1　半剛性基層瀝青路面結構材料參數

注：結構材料Ⅰ、Ⅱ分別表示具有半剛性和柔性底基層的半剛性基層瀝青路面結構。

假設v=80 km/h，T=0.058 s。路面結構有限元平面尺寸取5 m×5 m，路基計算深度取6 m。考慮到結構和荷載的對稱性，取1/4模型進行分析，各層之間為完全連續接觸[13]，邊界條件采用固定路基底面(z方向)、各結構層對稱面施加對稱約束、側面(x方向和y方向)施加水平約束，其中x方向表示道路橫向，y方向表示道路縱向[14]。各層材料采用二次(quadratic)三維實體單元C3D27模擬。

2路面結構層疲勞壽命預估

受預估模型自身精度和適用條件的影響，不同預估模型得到的預估壽命相差較大，有的模型甚至得到與實際使用經驗明顯不符的結果。為了安全起見，本文在分析路基模量的變化對路面各結構層疲勞壽命的影響時，選取預估結果較小的模型。因此，選取AI模型預估瀝青層疲勞壽命和永久變形壽命；對于水泥穩定碎石，結構層的疲勞壽命以裂縫開始出現時為準，不考慮裂縫向上擴展，因而可以采用南非Otte提出的由室內試件疲勞試驗建立的預估模型，預估水泥穩定碎石結構層的疲勞壽命[15]。

2.1瀝青層疲勞預估模型

AI設計方法中關于瀝青層疲勞開裂的控制方程：

2.2無機結合料處治基層疲勞預估模型

南非Otte等對半剛性基層提出以拉應變為控制標準的疲勞方程為：

logNf=9.091(1-εt/εb)，

式中εb為斷裂時的拉應變。

2.3路基永久變形預估模型

AI設計方法的控制標準為設計交通荷載作用下的車轍不大于12.7 mm，設計交通荷載

Ne=1.365×10-9(εz)-4.477，

式中εz為路基頂面豎向壓應變。

2.4軸載換算

AI法以單軸雙輪80 kN為標準軸載，而我國以100 kN為標準軸載，故應對AI法計算得到的預估疲勞壽命進行相應地軸載換算。基于彈性層狀體系理論下的瀝青面層軸載換算關系式為：

式中：EALF為等效軸載換算系數；P80、P100分別為國外標準軸載和我國標準軸載；k為軸載換算系數，各國規定不同，一般為4～5，本文取k=4。

計算得EALF=0.409 6。

3路面設計多指標協調及其對路基性能的要求

通過ABAQUS對模型進行動力分析，計算在動載作用下，半剛性基層瀝青路面結構各結構層的動態響應。分別采用AI設計方法和南非Otte等提出的各結構層疲勞壽命預估模型[1]，計算瀝青層疲勞預估壽命、基層(底基層)疲勞壽命及土基永久變形預估壽命，并進一步分析各結構層疲勞預估壽命隨路基模量的變化規律，從而確定路面的控制損壞類型。

各結構層疲勞預估壽命隨路基模量的變化分別如圖1、2所示。圖1、2中hs為路基高度，土基模量Es=15 MPa。

圖1　瀝青路面結構Ⅰ各結構層疲勞壽命隨路基模量的變化

圖2　瀝青路面結構Ⅱ各結構層疲勞壽命隨路基模量的變化

從圖1、2可以看出：1)不考慮路基高度的影響，當路基模量由40 MPa增大到120 MPa時，對于2種半剛性瀝青路面結構，瀝青層的疲勞壽命均減小。其中，半剛性底基層路面結構的最大減幅為11%，而柔性底基層路面結構為16%；基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命均增大。其中半剛性底基層路面結構最大漲幅分別為1.09倍和4.9倍，而柔性底基層路面結構分別為0.76倍和10.73倍。可見路基模量對瀝青層疲勞壽命影響較小，對半剛性基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命影響顯著，尤其是永久變形壽命。2)不考慮路基模量，隨著路基高度的增加，對于2種不同的半剛性基層瀝青路面結構，半剛性底基層路面結構瀝青層疲勞壽命和永久變形壽命的最大減幅分別為9%和27%，而底基層疲勞壽命的最大增幅則為39%。柔性底基層路面結構各結構層疲勞壽命隨路基高度的變化規律與半剛性底基層路面結構相同，分別為8%、24%和20%。可見路基高度對2種半剛性路面各結構層疲勞壽命的影響均較小，尤其是對瀝青層疲勞壽命影響更小。3)半剛性和柔性底基層路面結構均是永久變形疲勞壽命最小，均以永久變形作為控制損壞類型。因此，路基設計和施工時要確保其具有足夠的承載能力。

以我國現行瀝青路面設計規范劃分的交通等級為依據，在地基模量為15 MPa和損壞類型為永久變形條件下，確定2種半剛性基層瀝青路面結構分別滿足不同交通等級的路基模量，如表2所示。從表2可以看出，隨著路基高度的增加，適應不同交通量的臨界路基模量增大；具有柔性底基層的路面結構的臨界路基模量比半剛性底基層路面結構大。

表2　滿足不同交通等級的路基模量

4結論

1)不考慮路基高度的影響，隨著路基模量的增大，對于兩種半剛性基層瀝青路面結構，瀝青層的疲勞壽命均減小；基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命均增大。并且路基模量對瀝青層疲勞壽命影響較小，對半剛性基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命影響顯著，尤其是永久變形壽命。

2)不考慮路基模量，隨著路基高度的增大，對于2種半剛性基層路面結構，瀝青層疲勞壽命和永久變形壽命均減小，而基層(底基層)疲勞壽命卻增大。并且路基高度對各結構層疲勞壽命的影響均較小，尤其是瀝青層疲勞壽命。

3)半剛性和柔性底基層路面結構均是永久變形疲勞壽命最小，因此均以永久變形作為控制損壞類型，因此，路基設計和施工時要確保其具有足夠的承載能力。

參考文獻：

[1]沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京:人民交通出版社，2004：134-148.

[2]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防[M].北京:人民交通出版社，2005：362-368.

[3]路鑫，毛久海，李小剛.路基回彈模量對路面結構力學性能影響的數值分析[J].路基工程，2015(3):132-135.

LU Xin, MAO Jiuhai,LI Xiaogang.The numerical analysis of effect of subgrade modulus on the mechanical properties of pavement structure[J].Subgrade Engineering,2015(3):132-135.

[4]中交公路規劃設計院.JTG D50—2006公路瀝青路面設計規范[S].北京：人民交通出版社,2007.

[5]中交第二公路勘察設計院.JTG D30—2004公路路基設計規范[S].北京：人民交通出版社,2005.

[6]何昌軒, 樊英華, 鄭曉光. 瀝青混合料動態模量試驗研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版), 2010, 29(4):555-558.

HE Changxuan, FAN Yinghua, ZHENG Xiaoguang.The experimental study on dynamic modulus of asphalt mixture[J].Journal of Chonging Jiaotong University(Natural Science),2010,29(4):555-558.

[7]馬翔，倪富健，陳榮生.瀝青混合料動態模量試驗及模型預估[J].中國公路學報，2008,21(3):35-39.

MA Xiang, NI Fujian, CHEN Rongsheng.The dynamic modulus test and model prediction of asphalt mixture[J].China Journal of Highway and Transport, 2008, 21(3):35-39.

[8]王月峰，王傳沛，莊傳儀.瀝青混合料動態模量溫度修正研究[J].中外公路，2012,32(2) :210-214.

WANG Yuefeng, WANG Chuanpei, ZHUANG Chuanyi.The study on temperature correction of dynamic modulus of asphalt mixture[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(2):210-214.

[9]劉福明. 瀝青混合料動態模量預估方程的驗證分析[J].中外公路，2012,32(1)：208-212.

LIU Fuming.The analytical validation of estimation equation of asphalt dynamic modulus[J].Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(1):208-212.

[10]何兆益，黃衛，鄧學均.級配碎石動靜彈性模量的對比研究[J].中國公路學報，1998(1): 15-20.

HE Zhaoyi, HUANG Wei, DENG Xuejun.The comparative study on static modulus and dynamic modulus of graded gravel [J]. China Journal of Highway and Transport, 1998(1):15-20.

[11]袁俊，黃曉明. 級配碎石回彈變形特性[J].中國公路學報，2007,27(6), 29-33.

YUAN Jun, HUANG Xiaoming. The resilient deformation characteristics of graded gravel [J].China Journal of Highway and Transport, 2007,27(6):29-33.

[12]黃兵，周正峰，賈宏財.半剛性基層瀝青路面結構動力響應分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2014,33(1):47-51.

HUANG Bing, ZHOU Zhengfeng,JIA Hongcai.The analysis of mechanical response of asphalt pavement structure with semi-rigid base[J].Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science) ,2014,33(1):47-51.

[13]卜建清，張大明. 參數變化對瀝青混凝土路面結構動力響應的影響分析[J].公路，2012(3):93-98.

BU Jianqing,ZHANG Daming.The impact on asphalt concrete pavement structural dynamic response induced by parameter variations[J].Highway, 2012(3):93-98.

[14]黃兵，吳玉，艾長發. 結構參數對瀝青路面動態響應的影響[J]. 公路交通科技，2013,30(9),8-12.

HUANG Bing,WU Yu,AI Changfa.The effect of structural parameters on the dynamic response of asphalt pavement[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(9),8-12.

[15]沈金安.國外瀝青路面設計方法匯總[M]. 北京:人民交通出版社, 2004：284-296.

(責任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-05-17

作者簡介：周燕青(1991—),女,河南南陽人,碩士研究生,主要研究方向為交通運輸工程,E-mail：yanqing_52@163.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.012

中圖分類號：U416.217

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0066-05

The Pavement-Subgrade Coordinate Design of Asphalt Pavement with Semi-Rigid Base

ZHOUYanqing

(SchoolofTransport,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Abstract:Based on the large general-purposed finite element software ABAQUS, the two typical kinds of 3D finite element models of asphalt pavement structures with the semi-rigid base are established. Aiming at three kinds of subgrade heights and four kinds of subgrade moduli, the dynamic responses of pavement structures under the half-sine wave loads are calculated. Combined with the prediction equation of the fatigue life of all structures with the semi-rigid base, the regularity and the coordination of the fatigue life of pavement structures following the variation of resilient subgrade moduli are analyzed. Furthermore, the critical subgrade moduli which meet different traffic levels are determined according to the standards of the traffic levels. The analyses indicate as follows. The subgrade modulus has a weak effect on the fatigue life of asphalt layers and a greater impact on the fatigue life of the semi-rigid base and permanent deformation. The subgrade height has less influence on the fatigue life of all structural layers of the semi-rigid base, especially the fatigue life of asphalt layers. The critical subgrade modulus of the flexible semi-rigid base structure is bigger than that of the pavement structure with the semi-rigid base.

Key words:asphalt pavement; semi-rigid base; subgrade modulus; finite element analysis; fatigue life; pavement-subgrade coordinative design