快速干線瀝青路面結構改造方案比選分析

肖杰

(常德市交通建設監(jiān)理咨詢有限公司， 湖南 常德 415000)

隨著城市交通流量的逐年增加及道路設計年限的臨近，部分城市主要干道出現(xiàn)較嚴重的車轍、開裂、沉降、擁包等病害，給行車舒適性及安全帶來嚴重影響，老舊路面結構改造成為當今熱點課題。針對瀝青路面結構，彭宏圖通過將3種混合式基層路面結構和半剛性基層結構進行疲勞特性分析，得出混合式基層瀝青路面更適合大交通量高速公路的需求；何創(chuàng)等采用ABAQUS軟件模擬計算重載交通條件下軸重、基層模量及厚度對半剛性基層瀝青路面面層力學響應的影響，得到對瀝青路面結構力學響應的影響大小為軸載>基層厚度>基層模量；王海燕等研究重載交通作用下兩種典型瀝青路面結構的力學響應，得到不同軸載作用下路面結構的分布特征及變化規(guī)律。上述研究大多分析瀝青路面結構的指標影響，對城市道路瀝青路面結構比選的研究較為欠缺。基于此，該文以某快速干線瀝青路面改造工程為研究背景，運用ABAQUS軟件建立路面結構有限元計算模型，針對4種瀝青路面結構展開力學性能對比分析，并結合規(guī)范預估路面結構的疲勞性能，為城市道路路面結構提升改造提供參考。

1 工程背景

某快速干線全長約9.5 km，雙向六車道，設計速度為80 km/h，原路面結構為4 cm細粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石+20 cm級配碎石+20 cm級配碎石，總厚度為68 cm。由于該路段交通流量過大，路面產(chǎn)生大量龜裂、車轍、坑槽、沉降等病害，給道路運營安全帶來嚴重影響，需進行提升改造。考慮到原路面結構破損嚴重，已無法滿足現(xiàn)狀交通需求，提出3種路面結構改造比選方案：

(1) 結構A為4 cm細粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+16 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 4%水穩(wěn)碎石。

(2) 結構B為4 cm細粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石+20 cm 5%水穩(wěn)碎石+20 cm 4%水穩(wěn)碎石。

(3) 結構C為4 cm細粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+16 cm級配碎石+17 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 4%水穩(wěn)碎石。

2 模型建立

2.1 計算模型及邊界條件

運用ABAQUS軟件建立路面結構三維模型，模型尺寸為5 m×5 m×6 m(長×寬×深)，單元類型為三維六面體八節(jié)點單元，各結構層間完全連續(xù)。計算模型中假設X向為行車方向、Y向為路幅方向、Z向為深度方向。邊界條件為X、Y方向均軸向約束，頂面完全自由，底部固定約束。路面結構計算模型見圖1。

2.2 荷載計算參數(shù)

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》，荷載計算圖示分為4種，考慮到現(xiàn)代重載車輛行駛時輪胎的接地面積和輪壓會隨著軸載增加而逐漸增大，但輪中心距不變，選取圖2所示荷載作用圖式。為簡化計算，將車輪荷載簡化為均布矩形荷載，擬定4種軸載進行計算，軸載參數(shù)見表1。

圖1 路面結構計算模型

圖2 荷載作用圖示

表1 軸載計算參數(shù)

2.3 計算參數(shù)

路面結構計算參數(shù)見表2。

表2 路面結構計算參數(shù)

3 力學性能對比分析

運用ABAQUS有限元軟件建立4種瀝青路面結構計算模型，模擬荷載布置為雙輪矩形均布豎向荷載，計算點選取車輪荷載正下方中心，對不同軸載作用下各瀝青路面結構的力學響應展開對比分析。

3.1 路表彎沉

不同軸載作用下4種瀝青路面結構的路表彎沉見圖3。

圖3 不同軸載作用下各路面結構的路表彎沉

由圖3可知：隨著軸載的增加，各路面結構的路表彎沉均增大；標準軸載作用下原路面結構和結構A、B、C的最大彎沉分別為0.661、0.492、0.48、0.54 mm，超載300%情況下各路面結構的最大彎沉分別為1.881、1.377、1.345、1.512 mm，結構A、B、C的彎沉增幅均小于原路面結構，超載對原結構路面彎沉的影響較明顯；相同軸載作用下，4種瀝青路面結構的路表彎沉大小為原結構>結構C>結構A>結構B，原因是原結構底基層采用模量較小的級配碎石，而結構A、B、C底基層均采用模量較大的水穩(wěn)碎石，故原結構整體承載能力最差。

3.2 瀝青層最大拉應力

不同軸載作用下4種路面結構的瀝青層底最大拉應力見圖4。

圖4 不同軸載作用下各路面結構的瀝青層最大拉應力

由圖4可知：隨著軸載的增加，4種瀝青路面結構的瀝青層最大拉應力均呈增大趨勢；標準軸載作用下原結構和結構A、B、C的最大拉應力分別為0.11、0.102、0.082、0.128 MPa，超載300%情況下各路面結構的最大拉應力分別為0.318、0.287、0.230、0.378 MPa，結構C的最大拉應力增幅比其他路面結構大，超載情況下結構C路面容易產(chǎn)生開裂損壞；相同軸載作用下，4種瀝青路面結構的最大拉應力大小為結構C>原結構>結構A>結構B，結構B的抗開裂性能較好。

地質(zhì)災害易發(fā)性評價，是防災、減災工作重要的環(huán)節(jié)[1]，其核心內(nèi)容為確定評價指標權重值。目前權重確定方法很多，大致可分為主觀賦權法和客觀賦權法[1]。常見的主觀賦權法有層次分析法[3-5]、專家調(diào)查法[6]、最小平方法[7]、環(huán)比評分法[8]等。主觀賦權法運用時間長、較成熟，但美中不足的是結果具有明顯的主觀性、隨意性和缺乏客觀判斷的局限性。常見的客觀賦權法有確定性系數(shù)[9]、熵值法[10]、變異系數(shù)法[11-12]、多目標規(guī)劃法[13]等。客觀賦權法建立在數(shù)學理論之上，但前提是有充足的數(shù)據(jù)作為支撐，推廣性和融入性較差，難以體現(xiàn)決策者對不同賦權因子的重視程度。

3.3 瀝青層最大拉應變

不同軸載作用下4種路面結構的瀝青層底最大拉應變見圖5。

圖5 不同軸載作用下各路面結構的瀝青層最大拉應變

由圖5可知：隨著軸載的增加，4種路面結構的瀝青層最大拉應變均呈增大趨勢；標準軸載作用下原路面結構和結構A、B、C的最大拉應變分別為159.6、133.6、126.3、179.2 με，超載300%情況下各路面結構的最大拉應變分別為456.9、378.1、353.6、511.8 με，結構A、B和原結構的瀝青層最大拉應變增幅均小于路面結構C，超載對結構C瀝青層最大拉應變的影響明顯，其路面抗疲勞損傷性能較差；相同軸載作用下，4種瀝青路面結構的瀝青層最大拉應變大小為結構C>原結構>結構A>結構B，結構B的抗疲勞損傷性能較好。

3.4 土基頂部壓應變

不同軸載作用下4種路面結構的土基頂部壓應變見圖6。

圖6 不同軸載作用下各路面結構的土基頂部壓應變

由圖6可知：隨著軸載的增加，4種瀝青路面結構的土基頂部壓應變均呈增大趨勢；標準軸載作用下原結構和結構A、B、C的土基頂部壓應變分別為433.1、222.3、226.9、251.9 με，超載300%情況下各路面結構的土基頂部壓應變分別為1 222.9、627.4、635.3、725.3 με，原結構土基頂部壓應變增幅比其他路面結構大，原結構路面在超載情況下容易產(chǎn)生永久變形損傷，使路面產(chǎn)生車轍、沉降等病害；相同軸載作用下，4種瀝青路面結構的土基頂部壓應變大小為原結構>結構C>結構B>結構A，結構A、B路面土基頂部的壓應變較小，其永久變形損傷程度較小，永久變形損傷壽命較長。

4 路面結構疲勞壽命對比分析

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》，彎沉與疲勞壽命的關系如下：

(1)

式中：ld為彎沉值；Ne為車道累計當量軸次；Ac、As、Ab分別為路面類型系數(shù)、面層類型系數(shù)和等級系數(shù)。

Ne=(600/ld)5

(2)

按式(2)計算，4種瀝青路面結構的疲勞壽命見表3。

表3 各瀝青路面結構的疲勞壽命

由表3可知：4種瀝青路面結構的疲勞壽命大小為結構B>結構A>結構C>原結構，結構B的疲勞壽命遠大于其他結構，其疲勞性能較優(yōu)。

5 結論

以某快速干線瀝青路面改造工程為研究背景，借助ABAQUS有限元軟件對原路面結構和3種路面改造結構進行力學性能對比分析，并結合規(guī)范預估路面結構的疲勞壽命，得出以下結論：

(1) 隨著軸載的增加，瀝青路面結構的路表彎

沉、瀝青層最大拉應力、瀝青層最大拉應力及土基頂部壓應變均呈增大趨勢。

(2) 水穩(wěn)碎石底基層瀝青路面結構的承載能力相較于級配碎石底基層更優(yōu)。

(3) 4種瀝青路面結構中，結構B(瀝青穩(wěn)定碎石上基層+水穩(wěn)碎石下基層和底基層)的承載能力、抗開裂能力、抗變形能力及抗疲勞能力均較優(yōu)，瀝青路面結構改造方案建議選用結構B。