基于實測輪載和層間界面的瀝青路面結構厚度設計

劉卓銳

（武漢工程大學 湖北省武漢市 430070）

1 緒論

目前，世界各國的設計規范大多采用圓形均布荷載來模擬車輛對路面結構的荷載，并且假定各結構層層間均為完全連續。在我國的設計規范中，以瀝青路面表面回彈彎沉值和瀝青混凝土層底拉應力、半剛性及剛性材料基層拉應力為設計指標進行路面結構厚度設計。據研究，輪胎本身的結構性、輪胎的充氣壓力、車輛負載以及輪胎外表面的不規則性和凸凹性等，均會導致車輛荷載作用下輪胎接地壓力也表現為不規則性。另一方面，由于瀝青路面各結構層的原材料、施工質量控制的不同，會導致各結構層層間粘附性較差，無法達到理想的完全連續狀態。

我國現行設計方法在車輛荷載不太大，車輛運行速度不高的情況下，基本是合理的。然而隨著社會經濟水平的提高和交通條件的改善，車速不斷提高、車輛荷載不斷增加、輪胎的外表面形狀不斷改進，使用垂直均布荷載來模擬車輛行駛過程中路面結構受到的荷載與路面受到的實際荷載間的差距越來越大，逐漸不能滿足研究的需要。因此，本文中提出一種考慮實測輪載和層間界面的瀝青路面結構厚度設計方法，采用ANSYS對路面的受力狀態進行分析，以達到較好的路面結構厚度設計。

2 現行瀝青路面結構厚度設計

本文依托于武漢地區某新建二級瀝青道路，在本次分析中，設計年限內一個車道累計當量標準軸載同行次數NE經計算為116萬次，公路等級系數AC取為1.1，面層類型系數AS取為1.0，路面結構類型系數AB取為1.0。根據《公路瀝青路面設計規范》（JTD D50—2006）可以計算得：

（1）瀝青路面結構層表面的路面設計彎沉值為42.64（0.01mm）；

（2）瀝青路面結構層第一層底面的容許拉應力為0.68（MPa）；

（3）瀝青路面結構層第二層底面的容許拉應力為0.56（MPa）；

（4）瀝青路面結構層第三層底面的容許拉應力為0.45（MPa）；

（5）路面結構基層的容許拉應力為0.408（MPa）；

（6）路面結構底基層的容許拉應力為0.340（MPa）。

同時滿足彎沉和拉應力兩項指標的設計即為合理的瀝青路面結構層厚度設計。采用HPDS路面結構設計系統對路面結構進行計算，以我國普遍采用的較為經典的半剛性路面結構為分析對象，其具體的路面結構形式以如下所示：

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2010）中規定的方法在規定的溫度下分別測定半剛性材料和瀝青混合料的抗壓回彈模量以及劈裂強度。泊松比參考美國SHRPLTPP中推薦值，各材料的密度均參考相關資料后擬定而成，其材料參數具體如表1所示。

表1 半剛性基層瀝青路面典型結構及材料參數

利用軟件bisar3.0，采用彈性層狀力學，對其路面結構進行驗算。計算在雙圓均布荷載作用下該路面結構的彎沉、層底拉應力。在本分析中選用雙圓均布荷載，即我國規范中規定的標準軸載BZZ-100的輪載P0=100/4kN，p=700kPa，代入得到相應的當量圓直徑為d=0.213m。層間接觸分別考慮完全光滑和完全接觸兩種情況。在計算中，選取當量圓的中心，考慮不同的結構深度，計算其表面彎沉和路面結構層底拉應力。

對于當量圓圓心的點，在兩種不同的層間接觸下，路面結構在均布荷載作用下的各項力學響應（表面回彈彎沉和各結構層層底彎拉應力）如表2所示。

表2 不同層間狀態下實測輪載載作用中心點的各項力學響應

對于該半剛性瀝青路面，利用彈性層狀理論體系，依托BISAR驗算其代表點的路表彎沉值、半剛性基層層底拉應力和瀝青面層的層底拉應力。可知設計的瀝青路面彎沉及層底拉應力滿足設計要求。從分析結果可以發現，層間粘結狀況也影響瀝青路面的路表彎沉值。層間不連續或分離時，瀝青路面路表彎沉值也會增加。

3 ANSYS有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

根據資料[1]可知，對于靜態問題，當土基的厚度取值大于6m時，兩者的撓度相當。同時，在一般情況下，可以將路面結構視為半無限彈性層狀結構體系，但是由于在有限元計算中，只能將土基的厚度取一定的尺寸。因此，結合本分析實際，考慮到模型太大會消耗過多的內存和時間，在不影響結果精確度的情況下，模型的寬度和長度統一采用4m，土基的深度取為6m，瀝青面層厚度從上往下分別取4cm，6cm，8cm，基層的厚度取38cm，底基層的厚度取17cm。模型的邊界條件包括位移邊界條件和荷載條件。

有限元模型單元采用八個節點，每個節點三個自由度的solid45單元和四個節點，每個節點兩個自由度的plane42單元。模型采用Booleans命令保證層間完全連續或層間完全光滑，網格劃分時采用映射網格劃分方式。

3.2 模型的約束條件

模型的邊界條件包括位移邊界條件和荷載條件。

在車輛行駛在道路中央的時候，車輛荷載對于道路的兩側和兩端基本上沒有太大的影響。基于這種情況，可以將其相應方向的位移進行約束，對路面的底部采用固定約束；在道路表面與輪胎接觸的范圍內添加實測荷載，并將荷載傳遞至土基底部，添加實測輪載之后路面結構模型示意圖如圖1所示。

圖1

3.3 結構力學響應分析

對于實測輪載作用的中心點。由于實測輪載的中間沒有點，只有中間兩側的點，故可取其平均值及X坐標為0.173處進行比較。在兩種不同的層間接觸下，路面結構在實測輪載作用下的各項力學響應（表面回彈彎沉和各結構層層底彎拉應力）如表3所示。

表3 不同層間狀態下實測輪載載作用中心點的各項力學響應

由表3計算結果可知，在輪載作用的范圍內，瀝青面層都是受到壓應力的，而基層和底基層受到拉應力。當層間界面相同時，實測輪載作用下，基層和底基層受到的拉應力值更大：當輪載的分布情況相同時，若路面結構層之間為完全光滑時，基層和底基層受到的拉應力值更大。

半剛性瀝青路面結構在實測輪載的作用下，考慮層間界面，利用有限元分析法ANSYS計算所設計路面結構的路表彎沉值和結構層底彎拉應力與BISAR的計算結果相近，所以其瀝青路面結構厚度是合理的。利用ANSYS軟件，采用八個節點，每個節點三個自由度的solid45單元和四個節點，每個節點兩個自由度的plane42單元，模型采用Booleans命令可很好的模擬路面在實際輪載作用下的各項力學響應。

4 結論

本文依托于武漢地區某新建二級瀝青道路，選取較為經典的半剛性瀝青路面結構，根據兩種分析方法：即雙圓垂直均布荷載利用彈性層狀體系理論和基于實測輪載和層間界面利用有限元法。

分別驗算路表彎沉值和結構層底拉應力。并由此進行考慮非均布輪載和層間界面特性的路面結構厚度設計優化。本文可以得出如下結論：

（1）對應力而言，由上述計算可知，在輪載作用的范圍內，瀝青面層都是受到壓應力的，而基層和底基層受到拉應力。當層間界面相同時，實測輪載作用下，基層和底基層受到的拉應力值更大：當輪載的分布情況相同時，若路面結構層之間為完全光滑時，基層和底基層受到的拉應力值更大。

（2）層間粘結狀況也影響瀝青路面的路表彎沉值。層間不連續或分離時，瀝青路面路表彎沉值也會增加。