高速公路高模量瀝青路面典型結構力學行為分析

□文/邳慧然 李正中 武巖峰 牛 軍

高模量瀝青路面材料技術源于法國，其設計理念是通過提高瀝青混凝土的模量，減小車輛荷載及高溫作用下瀝青混凝土的應變路面結構的塑性變形，達到提高路面抗車轍能力，減薄路面厚度和提高路面耐久性的目的[1]。我國于2005年開始進行高模量瀝青混凝土應用技術的研究，總體上還處于起步和探索階段，天津市尚未開展相關嘗試。本文結合天津地區高速公路的典型結構，通過使用KENLAYER和ANSYS有限元軟件[2～3]，對不同瀝青混凝土路面結構進行應力分析和車轍預估模擬，為天津市高速公路路面結構層中高模量瀝青混凝土材料的大規模應用提供參考。

1 材料參數

采用JTGD 50—2017《公路瀝青路面設計規范》給定范圍的中值作為SBS改性瀝青及普通瀝青混合料回彈模量的計算分析參數；采用GTM旋轉剪切成型方法對高模量瀝青混合料進行設計，采用70號A級道路石油瀝青并外摻0.4%PR-Module 高模量改性劑（質量比）。見表1[4]。與路基土、級配碎石相比，半剛性基層材料的非線性力學特征不明顯[5]，可認為半剛性基層材料為理想彈性材料，其模量取值見表2[6]。

表1 瀝青混合料基本參數 MPa

表2 半剛性材料的模量 MPa

2 路面結構

2.1 典型結構形式

天津地區高速公路常用的路面結構形式見圖1。

圖1 典型瀝青路面結構

研究表明，高速公路路面車轍主要產生于中面層，因此將高模量瀝青混合料用于高速公路中面層，見圖2。

圖2 高模量瀝青路面結構

2.2 計算點

瀝青路面面層應力計算點見圖3。

圖3 應力計算點位

雙圓均布豎向荷載P=700 kPa，荷載圓半徑R=10.65 cm。在XOY水平面內，1號點坐標為（-15.975，0），2號點坐標為（-13.31，0），3號點坐標為（-10.65，0），4號點坐標為（0，0），單位均為cm。

在XOZ水平面內，最大剪應力計算點間距在路面結構中為1 cm，為系統清晰地反映剪應力在路面結構中的分布，在相應水平坐標點下，沿向路基內部方向，對層間位置附近增加計算點密度，上承層層底和下臥層層頂均分別設置計算點；在基層范圍內計算點間距適當放大為2 cm，同樣對層間位置附近增加計算點密度。

3 路面結構行為分析

3.1 剪應力

采用KENLAYER 路面結構分析軟件對普通瀝青路面結構和中面層為高模量瀝青路面結構的剪應力分布情況進行分析，見圖4和圖5。

圖4 普通瀝青路面結構

圖5 高模量瀝青路面結構

從圖4 可以看出，對于高速公路普通路面結構而言，剪應力峰值主要集中與2～10 cm范圍內，基本屬于上面層下部到中面層底部之間，上面層峰值約為214 kPa，中面層剪應力峰值約為182 kPa 且絕大多數剪應力峰值都出現在上、中面層之間及中面層底部位置。

從圖5 可以看出，對于高模量瀝青材料用于中面層結構而言，剪應力峰值同樣集中在2～10 cm 范圍內，基本屬于上面層下部到下面層中部之間，上面層剪應力峰值約為202 kPa，中面層剪應力峰值約為181 kPa 且絕大多數剪應力峰值都出現在上、中面層之間及中面層層底位置。

但高模量瀝青面層結構的剪應力峰值有明顯的降低，上面層輪跡邊緣下2 cm處的剪應力峰值降低了約5.6%，下面層的剪應力也略有下降，其他位置的剪應力峰值也有不同程度降低，同時剪應力峰值出現的位置也有一定程度降低。

高模量瀝青材料放置在中面層，對于改善瀝青路面抗車轍穩定性具有明顯優勢，可以優化剪應力的分布，削減瀝青面層結構內剪應力的峰值。

3.2 疲勞壽命

采用KENLAYER 路面結構分析軟件對普通瀝青路面結構和中面層為高模量瀝青路面結構的水平方向 力分布情況進行了分析[7]，見表3。

表3 兩種路面結構水平應力分布

根據拉應力計算相應疲勞壽命，見表4。

表4 兩種路面結構疲勞壽命預估

綜合剪應力和疲勞壽命分析，針對高速公路路面結構，建議采用高模量瀝青混凝土作為中面層的結構組合設計方案[8]。

3.3 車轍預估

普通瀝青路面結構經過10 000次高溫條件輪胎作用后，產生近4 mm的車轍和6 mm多的相對轍槽深度，對車輛的正常行駛會造成明顯的影響[9]，雨天會出現明顯的積水現象，路面厚度也存在一定程度的減薄現象；而中面層高模量瀝青路面結構經過輪載作用后，僅產生約1.7 mm 的車轍深度，相對車轍深度也僅有不到1.8 mm。見圖6。

圖6 高速公路車轍仿真豎向變形

針對中面層采用高模量瀝青混凝土設計方案后，結構抗車轍性能顯著提高，對路面綜合服務能力的保障起到了重要的基礎支撐作用。

根據JTJ 073—96《公路養護技術規范》中容許車轍為15 mm 的控制指標，兩種路面結構方案抗車轍性能見表5。

表5 蠕變變形擬合分析

普通瀝青路面一般可以保證3 a 不需要對車轍病害的養護作業，而中面層采用高模量瀝青路面抗車轍能力有顯著提高，抗車轍壽命提高1.5 倍以上，在考慮季節因素條件下，可以保證在設計期限內基本不需要考慮車轍病害的問題[10]。

4 結論

采用高模量瀝青混凝土作為高速公路中面層材料，可以顯著降低結構層的剪應力峰值，減少層間剪應力的突變點，有效降低剪應力峰值的位置；可以在一定程度上降低拉應力峰值，改善結構層應力分布，對提高結構的疲勞壽命有一定效果；可以顯著增強路面抗車轍能力，減小結構層變形，使其在設計壽命期內基本不需要考慮車轍病害的問題，從而達到延長高速公路使用壽命的效果。