不同瀝青路面結構的力學響應及經濟性對比分析

全文義

(新疆興亞工程建設有限公司，烏魯木齊 831100)

0 引言

由于瀝青路面具有施養簡便、行車舒適、平整耐磨等優點，故廣泛應用于我國高速公路工程建設中[1-2]。隨著我國經濟及交通的迅速發展， 導致高速公路的交通現狀逐漸表現為流量大、速度高、軸載重的特點，因此瀝青路面在超載重載長期作用下經常容易產生車轍、開裂等病害，使得瀝青路面的使用性能及壽命降低， 從而嚴重影響到高速公路的行車舒適和安全[3-5]。

近年來， 國內學者已在高速公路瀝青路面結構對比方面進行了大量研究，如操宇航等[6]通過建立珠三角地區三種典型高速公路路面結構的使用性能衰變方程， 得出各路面結構的使用性能曲線變化規律；黃民如等[7]通過對不同基層形式的瀝青路面結構進行力學性能對比分析，得到混合式基層的路面疲勞壽命性和使用性能更優；馮學茂[8]運用BISAR 軟件模擬計算了三種混合式基層瀝青路面的應力、 應變， 得出混合式基層瀝青路面的力學特性。盡管在瀝青路面方面已獲得較多研究成果，但其使用性能和經濟性仍是當前研究的熱點課題。基于此，本文以某地區高速公路的三種瀝青路面結構為研究背景， 運用ABAQUS 有限元軟件計算了不同瀝青路面結構的力學響應， 并根據路面結構的造價和疲勞壽命對各路面結構進行經濟性對比分析， 旨為高速公路瀝青路面結構設計提供參考及借鑒。

1 路面結構選取

通過對某地區高速公路瀝青路面結構的調查， 選取三種代表性路面結構作為研究對象。依照現行《公路瀝青路面設計規范》(JTG T50-2017)確定各路面結構的計算參數如表1 所示。

表1 混合式基層瀝青路面結構計算參數

2 模型建立

2.1 荷載計算參數

計算荷載采用 《公路瀝青路面設計規范》(JTG T50-2017)中標準軸載BZZ-100，為了便于模擬計算，將荷載作用形式簡化成均布矩形荷載，其中軸載為100kN，輪胎地壓為0.7MPa，具體計算方案如圖1 所示。

圖1 荷載計算示意圖

2.2 計算模型

通過運用ABAQUS 軟件分別建立三種瀝青路面結構的有限元計算模型，模型尺寸中長寬均為5m，深度為6m，單元類型為C3D8R，各結構層層間完全連續，選取0.01m 作為近似全局網格布種尺寸， 模型中假設X、Y、Z分別為行車方向、路幅方向和深度方向，邊界條件假設為X 和Y 方向均軸向約束， 頂面完全自由， 底部則固定約束，具體路面結構模型和單元劃分如圖2 所示。

圖2 路面結構計算模型及單元劃分

3 力學性能分析

3.1 路表彎沉

通過對標準軸載作用下三種瀝青路面結構進行有限元計算， 得到各瀝青路面結構在輪隙中心處的路表彎沉值如圖3 所示。

根據圖3 可知， 在標準軸載作用下三種瀝青路面結構的路表彎沉值大小依次為：結構一＞結構二＞結構三，其中結構一輪隙中心處的路表彎沉值為0.572mm， 結構二輪隙中心處的路表彎沉值為0.435mm， 結構三輪隙中心處的路表彎沉值為0.416mm。 三種瀝青路面結構中結構一產生的路表彎沉比其余路面結構更明顯， 結構二和結構三產生的路表彎沉則比較小， 其原因是由于結構二和結構三均為水泥穩定碎石底基層， 而結構一為級配碎石底基層，水泥穩定碎石的彈性模量遠大于級配碎石，因此結構二和結構三在相同軸載作用下的整體承載能力更優。

圖3 不同瀝青路面結構的路表彎沉對比

3.2 拉應力

通過建立三種瀝青路面結構有限元模型， 針對標準軸載作用下各路面結構的層底拉應力進行模擬計算，得出不同瀝青路面結構的拉應力對比情況如圖4 所示。

圖4 不同瀝青路面結構的拉應力對比

由圖4 可知， 在標準軸載作用下三種瀝青路面結構中基層、底基層的層底拉應力值均大于0，即基層拉應力表現為受拉，而瀝青層上面層、中面層和下面層的層底拉應力均小于0，即瀝青層拉應力表現為受壓，且隨著路表深度的增加，當軸載反復作用時，基層和瀝青層會分別產生壓應力、拉應力壓縮變形，因此在瀝青層與基層的連接處比較容易產生剪切破壞。 三種路面結構的基層層底拉應力值分別為0.13MPa、0.16MPa、0.05MPa，即結構一、二的基層層底拉應力明顯要大于結構三，說明結構一、二的受力最不利位置處于基層層底； 而底基層層底拉應力值分別為0.07MPa、0.09MPa、0.11MPa，即結構一、二的底基層層底拉應力要小于結構三， 則說明結構三受力最不利位置處于底基層層底。 三種路面結構中結構三的瀝青層層底拉應力最小，說明結構三抗拉開裂性能良好。

3.3 壓應力

通過建立三種瀝青路面結構有限元模型， 針對標準軸載作用下各路面結構的層底壓應力展開模擬計算，得出不同瀝青路面結構的壓應力對比情況如圖5 所示。

圖5 不同瀝青路面結構的壓應力對比

根據圖5 可知，隨著深度的增加，三種瀝青路面結構的各層底壓應力均呈逐漸減小變化趨勢， 其中各瀝青路面結構的基層層底與底基層層底產生的壓應力較小，而瀝青層產生的壓應力均則較大， 表明瀝青層較于基層和底基層更容易產生壓密變形破壞。 各瀝青路面結構中結構二層底產生的壓應力均小于結構一、三，因此結構二的抗壓變形性能較好。

3.4 剪應力

瀝青路面結構的抗剪切破壞能力主要是由剪應力來表征， 通常情況下瀝青路面產生的剪應力主要集中于路面結構中的瀝青面層。 通過對標準軸載作用下三種瀝青路面結構進行模擬計算， 得到各瀝青路面結構的瀝青面層剪應力如圖6 所示。

圖6 不同瀝青路面結構的剪應力對比

由圖6 可知，隨著路表深度的增加，三種瀝青路面結構的瀝青層剪應力均呈先增大后減小變化趨勢， 其中結構一的最大剪應力值為0.0275MPa， 結構二最大剪應力值為0.0234MPa， 結構三最大剪應力值為0.0241MPa，各路面結構的最大剪應力值都處于距路表深度6～10cm 范圍內，說明剪應力對瀝青面層中面層、下面層的影響較為明顯。軸載作用下瀝青面層產生的剪應力越大，路面轍槽破壞越明顯， 三種路面結構中結構一瀝青面層產生的剪應力最大，說明結構一路面容易產生轍槽病害，而結構二剪應力最小，說明結構二的抗轍槽能力最好。

4 經濟性分析

通過對瀝青路面結構的造價進行預算， 分別得到結構一、 二、 三的造價約為265.8 元/m2、208.5 元/m2、211.6元/m2，其中結構結構二造價較低，但結構三與結構二的造價差距不大。 由于路面結構的經濟性需要考慮造價與使用壽命兩個方面，因此需計算各路面結構的疲勞壽命，根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG T50-2017)中彎沉與疲勞壽命關系式：

式(1)中：Ac、As、Ab按規范取值為1；Id為彎沉值；Ne為車道累計當量軸次。

將式(1)簡化為Id=600Ne-0.2，即可轉化成Ne=(600/Id)5，計算得出各瀝青路面結構的疲勞壽命如表2 所示。

表2 瀝青路面結構的疲勞壽命

根據表2 可知， 三種瀝青路面結構的極限累計當量軸次分別為1.27×1015、4.99×1015、6.24×1015次/車道， 其中結構三的疲勞壽命最大， 說明結構三路面的抗疲勞性能優于其他結構。 將路面造價/極限累計當量軸次即能計算出三種瀝青路面結構的性價比分別為20.9×10-14、4.18×10-14、3.39×10-14元/次， 由此可知結構三路面的經濟性能最好。

5 結語

通過對某地區高速公路的三種代表性瀝青路面結構進行力學響應和經濟性對比研究，得到如下結論：

(1)標準軸載作用下三種瀝青路面結構的路表彎沉值大小依次為：結構一＞結構二＞結構三，其中結構二和結構三彎沉差距較小，說明結構二、三路面均具有較好的承載能力。

(2)三種瀝青路面結構中結構一、二的受力最不利位置處于基層層底， 結構三受力最不利位置處于底基層層底；結構三的瀝青層層底拉應力最小，其具有較好抗拉開裂性能。

(3)隨著路表深度的增加，三種瀝青路面各層底壓應力均逐漸減小；結構二各層底壓應力均小于其他結構，因此結構二抗壓變形性能最好。

(4)隨著路表深度的增加，各瀝青路面結構的瀝青層剪應力均呈先增后減變化； 三種路面結構中結構二最大剪應力值最小，故其抗轍槽能力最好。

(5)綜合經濟性可得，三種瀝青路面結構中結構三造價最低，疲勞壽命最長，性價比最好，因此同等情況下推薦優選結構三。