基于有限元的交叉口抗車轍瀝青混合料力學性能分析

華春麗,丁 彬

(1.江蘇省高速公路經營管理中心，江蘇 南 京210017；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 前 言

干線公路交叉口普遍超載，加之交叉口車輛剎車、啟動頻繁，造成交叉口出現車轍和推移病害，影響行車安全和舒適性。而且交叉口車轍病害嚴重，反復進行維修，不僅影響交叉口通行效率，而且增加養護成本和資源浪費。

針對交叉口車轍病害頻繁養護的現狀，為了深入分析病害出現原因。本文通過有限元數值分析，研究超載和剎車作用下，交叉口路面結構層受力情況。考慮重載對道路結構層的影響，選取豎向荷載0.7、0.9、1.2 MPa三個等級。重點對剎車作用、靜止作用進行模擬，分為無水平荷載和水荷載為豎向荷載的30%兩種狀況。并分析瀝青模量和層間粘結狀況不同的工況，對路面結構層力學響應情況。針對病害產生的原因從路面結構和材料設計提出解決方案。

1 計算模型和參數

本節主要考慮重載對道路結構層的影響，豎向荷載選擇范圍0.7、0.9、1.2 MPa三個等級[1]。重點對無水平荷載和水荷載為豎向荷載的30%兩種情況進行分析。同時研究瀝青層最大剪應力/應變和最大拉應力/應變的變化規律。計算模型材料參數如表1所示，路面三維結構計算模型見圖1。

表1 計算模型參數

圖1 路面三維結構計算模型

2 數值計算分析

2.1 瀝青層模量影響分析

為了確保接觸面豎向荷載和位移能夠連續傳遞，假定面層層間接觸為完全連續狀態[2]。通過分析無水平荷載和水平荷載為豎向荷載30%兩種工況下，瀝青面層模量對結構層受力影響。計算結果如圖2～5所示。

圖2 無水平荷載最大剪應力和剪應變

圖3 水平荷載30%時剪應力和剪應變

圖4 無水平荷載最大拉應力和拉應變

圖5 水平荷載30%時拉應力和拉應變

從圖2～5可知，最大剪應力和剪應變均隨模量增大而減小，受水平荷載影響較小。模量從500 MPa增加至2 000 MPa時，最大剪應變和最大拉應變衰減速率最大。模量超過2 000 MPa后，最大剪應變和最大拉應變隨模量減小速率降低，趨于直線狀態。在水平荷載為豎向荷載的30%時，最大剪應力和最大拉應力相對無水平荷載狀況，略微增大。隨著荷載增大，剪應力和拉應力逐漸增大，說明超載對路面破壞較大。因此，適當提高瀝青面層模量、路面結構層將有利于提高抵抗超載損壞的能力。

2.2 面層與基層粘結狀態影響分析

假設面層之間完全連續(即單層加鋪)，選擇瀝青層模量2 000 MPa,計算無水平荷載和水平荷載為30%時,最大拉應變與基層與面層層間連接狀況的關系[3]。其中橫坐標0代表完全光滑，1代表完全連續。計算結果如圖6～7所示。

圖6 無水平荷載最大拉應力和拉應變

圖7 水平荷載30%時拉應力和拉應變

由計算結果可知，最大剪應力和剪應變受面層和基層間粘結狀況影響不大。而拉應力和拉應變受層間粘結狀況影響極大。當面層和基層粘結狀況由完全滑動變成完全連續時，最大拉應力和拉應變急劇下降。無水平荷載時，完全連續時最大拉應變降低為完全滑動時的16%左右。水平荷載為豎向荷載的30%時，完全連續時最大拉應變降低為完全滑動時的34%左右。完全連續時，豎向荷載的增大對最大拉應變影響較小。

2.3 面層間粘結狀態影響分析

假設基層與面層之間連接為最佳狀態，即完全連續的情況[4]。選擇瀝青層模量2 000 MPa，由于交叉口超載現象頻繁選擇豎向荷載為0.9 MPa。計算無水平荷載和水平荷載為豎向荷載30%時，最大剪應力與上面層與下面層層間連接狀況的關系。計算結果如圖8所示。

圖8 面層粘結狀況對剪應力影響

從圖8可知，面層由完全滑動過渡到完全連續(單層鋪筑)時，最大剪應力和最大剪應變急劇下降。

綜上所述，面層模量的增大有利于提高結構層抵抗荷載破壞能力。面層與基層粘結良好時能夠降低層間拉應力。層間粘結狀況越好，對結構層整體受力越有利。增大面層粘結狀況可以降低層間剪應力。

3 力學性能分析

為了研究交叉口抗車轍瀝青混合料力學性能，本文設計中石化50#瀝青+PR.M抗車轍劑、中石化30#瀝青+PR.M抗車轍劑和中石化30#基質瀝青三種抗車轍混合料[5-7]。通過間接拉伸模量試驗和動態模量試驗評價試件力學性能。

3.1 間接拉伸試驗

間接拉伸試驗通過對試件重復加載。測試試件受力和變形情況，得到混合料勁度模量[8]。通過勁度模量反應混合料勁度特性。三種試件15℃間接拉伸模量試驗模量如圖9所示。

從圖9試驗結果可知，30#+PR.M高模量混合料的間接拉伸模量最大，其次為50#+PR.M和30#基質瀝青。三種瀝青混合料勁度模量均滿足技術要求。

圖9 間接拉伸試驗結果

3.2 動態模量試驗

動態模量試驗通過旋轉壓實成型試件，分別在試驗頻率0.1～25 Hz下，測試試件15℃動態模量試驗[9-10]。試驗結果如圖10所示。

圖10 動態模量試驗結果

從圖10動態模量試驗結果可知：相同條件下，30#+PR.M混合料的模量值最大，其次為50#+PR.M和30#基質瀝青。根據數值計算結果，瀝青層模量對路面結構受力影響極大。模量越大，則路面抵抗荷載能力越強。荷載頻率越低，說明車輛行駛速度小，趨近于靜止荷載作用下的靜態模量。采用0.1 Hz條件下試驗結果可知，三種混合料模量分別為6 200、8 300、4 400 MPa，均滿足數值計算4 000 MPa以上。由此可知，三種抗車轍混合料均滿足要求，30#+PR.M混合料抵抗荷載能力最強，其次為50#+PR.M和30#基質瀝青。

4 結 論

本文通過數值計算分析模量和層間粘結狀態對路面剪應力和拉應力的影響，并通過力學試驗對三種混合料進行分析，主要結論如下。

1)適當提高瀝青面層模量，路面結構層將有利于提高抵抗超載損壞的能力。瀝青面層模量增大至2 000 MPa時，剪應力和拉應力衰減最快。

2)拉應力受面層和基層層間粘結狀況影響極大。當面層和基層粘結狀況由完全滑動變成完全連續時，最大拉應力急劇下降。

3)三種抗車轍混合料間接拉伸模量和動態模量均滿足要求，30#+PR.M混合料模量最高，抵抗荷載能力最強，其次為50#+PR.M和30#基質瀝青。

[ID:010611]