雙層高模量瀝青混凝土路面結構受力特性分析

王 森

(遼寧交投公路科技養護有限責任公司 沈陽市 110000)

0 引言

沈山高速公路由于交通量大、荷載水平高，近年來出現了較為嚴重的高溫車轍病害，2019年至2020年，對病害嚴重路段進行了維修，為了提高維修路面的高溫抗車轍能力，部分路段采用了銑刨16cm瀝青面層，然后鋪筑兩層8cm高模量瀝青混凝土AC-20的方案。

已有研究表明，高模量瀝青混凝土在高溫條件下，模量更高，明顯高于SBS改性瀝青混凝土，例如，在45℃、10Hz條件下，高模量瀝青混凝土的動態模量可達到SBS改性瀝青混凝土的2倍以上，達到2000MPa以上，在55℃、10Hz條件下，仍可達到SBS改性瀝青混凝土的1.2倍以上[1-3]，因此可以降低表面層和中面層的應變水平，從而避免結構層出現高溫塑性失穩，并且，在實際的應用中，高模量瀝青混凝土取得了良好的抗車轍效果[4-5]。目前，雙層8cm高模量瀝青混凝土AC-20路面結構的應用在國內外尚屬首次，對于該路面結構的受力特性分析仍然較少，從雙層高模量瀝青混凝土路面結構的高溫永久變形累積規律分析與優化設計等方面考慮，有必要對其結構內的應力應變分布特征進行分析。

由于路面荷載為動態荷載[6]，因此，利用各結構層的動態模量參數，建立了彈性層狀體系模型，其中高模量瀝青混凝土AC-20的動態模量采用室內的試驗結果，其它結構層的動態參數參考已有研究成果確定[7-9]，然后使用BISAR 3.0 軟件對路面結構內的典型位置處的應力應變分布規律進行了分析。

1 計算模型建立

1.1 車輪荷載模型

分析時采用豎向雙圓荷載模型[10]，荷載直徑為21.3cm，荷載間距為31.96cm，針對重載交通，壓力值設為1100kPa。對于車轍變形，荷載正下方以及荷載邊緣是2個典型位置，重點對這兩個位置進行分析，如圖1所示，A點指示的是荷載下方，B點是荷載邊緣。

圖1 荷載模型

1.2 結構層溫度確定

高模量瀝青混凝土的動態模量受溫度影響較大，準確確定結構層溫度是合理選擇瀝青路面結構層力學參數的前提。首先，將上、下面層分別平均分為2層，按深度方面分別記為上面層1和上面層2、下面層1和下面層2，并且4個結構層溫度以各自層中位置處的溫度作為代表值，按照下式進行計算[11]，并結合國內研究成果[12]，確定下午13點時各結構層溫度如表1所示。

表1 13點時各結構層選定的溫度

Tsurf-Tair=-0.00618Lat2+0.2289Lat+24.4

Th=Tsurf(1-0.063h+0.007h2-0.0004h3)

式中：Tsurf—路表溫度，℃；

Tair—7d最高平均溫度，℃；

Lat—項目所在地的地理緯度。

其中，緯度選擇41.1°，空氣溫度選擇31.6℃。

1.3 結構層動態模量參數確定

按照試驗規程[13]中T0738的試驗方法，使用SPT進行動態模量試驗，開展了15℃、30℃、45℃、55℃等4個溫度條件、不同加載頻率的動態模量試驗，不同溫度條件下，其中10Hz動態模量試驗結果如圖2所示。

圖2 高模量瀝青混凝土動態模量隨溫度變化

從圖2中可以看出，荷載頻率10Hz條件下，高模量瀝青混凝土對溫度敏感性較強，其動態模量隨溫度的升高而逐漸降低，整體上呈現逐漸減緩的趨勢。使用3次多項式進行擬合，其它位于試驗溫度范圍內的模量值可由擬合曲線近似求得。

1.4 結構模型建立

根據動態模量試驗結果，針對高溫重載使用條件，建立結構模型如表2所示。其中高模量瀝青混凝土面層的模量值均采用了加載頻率為10Hz的動態模量數值，非試驗溫度條件下的模量值按照擬合公式進行了計算，最終建立的結構模型如表2所示。

表2 計算模型參數

2 結果分析

2.1 荷載下方A點壓應力與壓應變分析

荷載下不同深度處壓應力與壓應變如圖3、圖4所示。

圖3 荷載下方不同深度處豎向應力

圖4 荷載下方不同深度處豎向應變

由圖3、圖4可以看出，在高溫重載交通條件下，對于雙層高模量瀝青混凝土結構：

(1)豎向壓應力整體上隨深度逐漸降低，但是在6cm以上，應力水平降低幅度較小，與路表面相比，僅降低了約10%，6cm以下降低速率加大，但降低速率均一，應力水平仍然較高，即使在13cm深度處，豎向壓應力仍可達約0.7MPa，為路表壓力的63.6%。

(2)豎向壓應變隨深度的變化規律是先升高、后降低，在0～6cm深度范圍內，應變水平較高，達到了250με以上，在6cm以下，豎向壓應變水平隨深度逐漸降低，但在9cm深度處，應變水平仍然達到了約200με，11cm深度以下，應變水平降低為150με以下。

(3)從荷載下方的豎向壓應力與壓應變兩個方面分析，對于雙層高模量瀝青混凝土路面結構，路表至9cm深度之間層次的應力應變水平均較高，將是未來高溫永久變形累積的主要層次。

2.2 荷載下方與荷載邊緣剪應力與剪應變分析

圖5 不同深度處最大剪應力

圖6 不同深度處最大剪應變

由圖5、圖6可以看出，對于雙層高模量瀝青混凝土結構，在高溫重載交通條件下：

(1)在荷載正下方，剪應力整體規律為隨深度先升高后降低，在深度為6cm左右處達到較高水平；在荷載邊緣，剪應力隨深度先升高后降低，在深度為2cm左右處達到較高水平。

(2)不論在荷載正下方還是荷載邊緣，剪應變均隨深度先升高后降低；對于荷載邊緣深度2cm位置處，剪應變達到較高水平，對于荷載下方0～7cm深度區間的剪應變水平較高；最大的剪應變出現在荷載邊緣、深度為2cm左右位置處，剪應變水平達到270με左右；在6cm以下的相同深度處，荷載正下方的剪應變水平均高于荷載邊緣。

(3)結合荷載正下方與荷載邊緣處的剪應力與剪應變分析，在深度7cm以上區域，剪應變水平高于150με，是高剪應力剪應變區。

3 結論

基于瀝青路面結構層動態模量，利用彈性層狀體系模型，對雙層高模量瀝青混凝土路面結構在高溫重載條件下的受力特性進行了分析，得到以下一些結論：

(1)高溫重載條件下，雙層高模量瀝青混凝土路面結構在荷載下方的壓應力隨深度逐漸降低，但整個瀝青路面結構的壓應力水平均較高；豎向壓應變隨深度先升高后降低，深度2～6cm區間內是壓應變水平較高區域，可達250με以上；

(2)高溫重載條件下，荷載下方與荷載邊緣的剪應力與剪應變均隨深度先升高后降低；最大剪應變出現在荷載邊緣2cm深度位置處，達到270με左右，在6cm以下的相同深度處，荷載正下方的剪應變水平均高于荷載邊緣；

(3)結合荷載下方與荷載邊緣的壓、剪兩個方面的受力特性分析，路面深度0～9cm區間是雙層高模量瀝青路面的高應力應變區，深度2cm左右位置處為應變的極值位置。