舊路基層實測模量與設計模量的差異對路面受力影響分析

劉 毅，李增光，朱兆禎，楊永富，姜文杰

(1.中建八局第二建設有限公司 濟南市 250014； 2.山東省交通科學研究院 濟南市 250100)

我國高等級公路普遍采用的半剛性基層材料具有良好的抗變形能力，但是由于材料、級配、施工技術等方面的影響，導致模量變化范圍比較大，路面結構層模量存在一定的變異[1]。面層和基層的彈性模量對半剛性基層瀝青路面結構有明顯的影響，是造成瀝青路面損壞的內(nèi)在因素之一[2]。2017版《公路瀝青路面設計規(guī)范》與2006版的相比對路面材料主要設計參數(shù)進行了調(diào)整，分別以彈性模量及動態(tài)壓縮模量作為無機結合料穩(wěn)定材料和瀝青結合料類材料設計參數(shù)之一，以瀝青層永久變形和基層底拉應力為設計指標[3]。依托高速公路舊路設計方案，在統(tǒng)一的荷載和溫度條件下，利用三維有限元方法，分別對路面原設計參數(shù)模量與實測模量對應的路面結構控制指標值進行計算，分析路面內(nèi)部受力與半剛性基層模量變異的關系[4]。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 模型建立

創(chuàng)建了基于彈性層狀體系理論的半剛性基層瀝青路面ABAQUS程序有限元模型，適當優(yōu)化荷載條件和邊界，并假定路面各層材料的材質(zhì)都是完全各向同性和均質(zhì)彈性的；土基作為一個半無限彈性的空間，路面各結構層次在水平方向無限延展，在縱向方向的厚度是有限的；認為將垂直均布荷載施加在路表面上時，在路面無限深、無限遠處荷載的影響為零；不考慮路面層間接觸面摩阻力，層間是完全連續(xù)的[5]。

1.2 模型尺寸及加載方式

在模型水平和豎直方向上采用有限的長度(10×10m)，并由三維實體單元離散，完全約束周圍及底部，并且對路面表面沒有約束。參考《公路瀝青路面設計規(guī)范》，荷載設計軸載為100kN，為雙圓垂直均布荷載，輪胎的接地壓強為0.7MPa，當量圓直徑213mm，雙輪中心距為319.5mm[3]。

2 設計與實測模量差異下路面受力分析

某高速公路舊路原設計路面結構參數(shù)，以及現(xiàn)場實測的基層、底基層模量代表值見表1，并根據(jù)表1的路面結構參數(shù)建立有限元加載模型，計算出路面各結構層層底拉應力、面層最大剪應力及路表理論彎沉等指標值，分析基層模量變異時路面應力及變形情況，其中彎沉為理論彎沉，未經(jīng)過彎沉綜合系數(shù)修正。

表1 舊路路面結構參數(shù)

圖1、圖2分別為原設計模量和實測水泥穩(wěn)定碎石基層模量情況下路面結構層水平應力分布云圖，分析截面為雙輪中心線位置；圖3、圖4分別為原設計模量和實測半剛性基層模量情況下路面結構層剪應力分布云圖，分析位置為輪載邊緣。

圖1 設計模量路面拉應力分布圖

圖2 實測模量路面拉應力分布圖

圖3 設計模量路面剪應力分布圖

圖4 實測模量路面剪應力分布圖

為明晰反映路面結構層受力由設計與實測基層模量變化帶來的影響，以路面受力編號為橫坐標、路面受力數(shù)值大小為縱坐標，繪制圖5，各力學指標編號代表意義見圖中所示。為了便于分析，圖中彎沉單位為mm，其它應力指標單位為MPa。圖中數(shù)值在橫坐標軸以下的表明結構層層底為壓應力，在橫坐標軸以上的結構層層底為拉應力。

1-路表彎沉；2-上面層底面拉應力；3-中面層底面拉應力；4-下面層底面拉應力；5-基層底面拉應力；6-底基層底面拉應力；7-瀝青層最大剪應力

從圖5可以看出，由于基層和底基層實測模量比原設計模量大，計算得到的基層與底基層層底應力相應地大于采用原設計模量計算結果，與應力剛度分配原則相契合，即對同一結構層，其模量越大則剛度越大，相應結構層承受荷載能力越強[6]。同時，由于基層模量增大，與之相鄰的下面層壓應力小幅增大，上面層和中面層壓應力減小。由于面層剪應力主要受面層模量與厚度影響更大，故面層最大剪應力基本上無變化。由于基層與底基層實測模量增大，使路面擁有更強的抗變形能力，從而導致路表實際彎沉的減小。

3 基層模量改變對路面受力影響

為較系統(tǒng)分析瀝青路面內(nèi)部力學響應與基層模量改變之間的關系，改變基層模量的數(shù)值[7]，基層模量分別取1100、1300、1500、1700、1900MPa，其它結構層的模量取值同表2原設計模量數(shù)值，將結果輸入建立的上述模型，分析路表彎沉和瀝青路面結構內(nèi)部應力情況，見圖6～圖8，圖中拉應力和壓應力分別以正數(shù)和負數(shù)代表。

圖6 不同基層模量下路表彎沉

圖7 面層層底拉應力隨基層模量變化情況

圖8 基層層底拉應力隨基層模量變化情況

由以上的分析可以看出：

(1)路表彎沉與基層模量變化趨勢相反，由基層模量增加引起彎沉變小，變小幅度越來越小[8]。彎沉減小則代表路面剛度有所增加，隨著承載力的增加，承載力不足引起的路面形變降低。

(2)不同基層模量條件下，面層底部拉應力為負，均受到壓應力作用，瀝青層結構的彎拉疲勞破壞現(xiàn)象不會明顯發(fā)生；中面層層底應力受基層模量改變的影響最小，基層模量增加進而下面層層底壓應力變大，上面層則反之。

(3)基層、底基層層底拉應力繼基層模量增加分別持續(xù)增大或減小。按照現(xiàn)行設計規(guī)范，對于半剛性基層瀝青路面，分別以層底拉應力和永久變形量作為無機結合料穩(wěn)定層和瀝青混合料層設計指標[3]。根據(jù)力學理論分析，基層是否疲勞開裂受該層層底拉應力控制，過高的基層模量將導致其層底拉應力增大，如果基層開裂破壞進而可能影響路面使用壽命。

4 結論

通過高速公路舊路原設計方案與現(xiàn)場實測路面模量比較，采用三維有限元方法模擬計算，研究了路面設計與實測回彈模量差異對路表彎沉及路面內(nèi)部力學響應的影響，并進一步較系統(tǒng)分析了路面結構層力學響應與基層模量的關系，可以得出以下結論：

(1)由于基層和底基層實測模量比原設計模量大，采用實測模量計算得到的基層與底基層層底應力更大，路表實際彎沉減小，路面抵抗變形的能力提高；由于面層剪應力主要受面層模量與厚度影響更大，故面層最大剪應力基本上無變化。

(2)在基層模量逐漸增大的條件下，各瀝青結構層層底受到壓應力，其中對中面層層底應力影響最小；基層模量增加繼而下面層層底壓應力變大。

(3)基層、底基層層底拉應力繼基層模量增加分別持續(xù)增大或減小。基層疲勞開裂容易因為其層底拉應力過大而產(chǎn)生，從而導致疲勞壽命減少，如果基層模量過大，則面層受到的壓力也可能過大，過大的壓力可能導致車轍的產(chǎn)生，因此，基層模量也不宜過高。