典型倒裝式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學響應對比研究

牛敏強 王安懷 鄧明超 苑苗苗

(1.廣東省南粵交通仁博高速管理中心新博管理處 惠州 516899；2.廣東省南粵交通投資建設有限公司 廣州 510623； 3.華南理工大學廣州學院 廣州 510800)

半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)是我國高等級公路最常用的一種路面結(jié)構(gòu)形式，由于半剛性基層具有剛度大、強度高、材料來源豐富及價格經(jīng)濟等優(yōu)點，已在我國路面結(jié)構(gòu)中廣泛使用[1-4]。然而，經(jīng)過多年的實際工程應用，半剛性基層瀝青路面的缺陷也逐漸顯露出來。在溫度、濕度等綜合因素作用下，半剛性基層容易出現(xiàn)溫縮、干縮疲勞開裂，在行車荷載作用下裂縫逐漸貫通基層并反射到瀝青面層，從而導致瀝青面層出現(xiàn)一些早期損害[5-7]。針對該問題，國內(nèi)外道路工作者提出了較多解決方法，其中一種方法是采用倒裝式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，即在半剛性基層與瀝青面層之間增設一層級配碎石基層，目的是減少由于半剛性基層開裂引起的反射裂縫[8-10]。該種瀝青路面結(jié)構(gòu)在不增加面層的厚度情況下，同時使得半剛性基層下臥更深，改善了路面受力特性，取得了較好的應用效果。

在瀝青面層與半剛性基層之間設置一層級配碎石層或者ATB和級配碎石層，路面結(jié)構(gòu)受力特性發(fā)生了較大變化。為了更好地分析并了解該種路面結(jié)構(gòu)的受力變化，深入了解倒裝基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學機理，本文依托廣東省境內(nèi)新博高速試驗段的3種倒裝式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，采用ABAQUS有限元工具，分別模擬了瀝青路面在雙輪標準軸載作用下的力學響應，分析3種倒裝基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的各自受力特性，為倒裝基層瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設計提供參考。

1 有限元模型建立

本研究基于新博高速試驗段的3種倒裝基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行分析，路面結(jié)構(gòu)組合及結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)見表1。

表1 試驗段倒裝路面結(jié)構(gòu)層厚度及材料參數(shù)

為簡化計算，將各結(jié)構(gòu)層假定為連續(xù)的、完全彈性的、各向同性的勻質(zhì)體，結(jié)構(gòu)層之間接觸假定完全彈性，模型底面為完全約束，側(cè)面僅約束垂直于側(cè)面的水平位移而表面無約束。路面模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸，其中長度和寬度各為5 m，土基厚度為3 m。

瀝青層、基層、墊層及土基采用三維實體單元(C3D8R實體縮減積分單元)進行離散處理，劃分有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的密度選擇自由劃分。結(jié)構(gòu)I模型單元數(shù)量為47 502，節(jié)點數(shù)量為58 800；結(jié)構(gòu)II模型單元數(shù)量為47 502，節(jié)點數(shù)量為58 800；結(jié)構(gòu)III模型單元數(shù)量為53 157，節(jié)點數(shù)量為66 000。為了便于模型計算，輪胎與路面接觸面理想化為18.9 cm×18.9 cm的正方形，雙輪中心距32 cm，計算軸載為標準軸載BZZ-100，輪胎接地壓為0.7 MPa。具體的有限元模型圖見圖1。

圖1 三維有限元模型

2 路面結(jié)構(gòu)力學響應對比分析

本研究選用的力學響應計算點位置圖見圖2。

圖2 力學響應計算點位置示意圖

其中：A點為車輪中心；B點為車輪跡邊緣；

C點為兩輪胎中心；D點為B點與C點的中點(稱為車輪隙r/4處)。基于建立的模型對3種倒裝基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行力學分析，并對比3種模型的路表彎沉、瀝青層層底拉應變、半剛性基層層底拉應力，以及土基頂面壓應變。

2.1 模型驗證

本研究以路表輪胎中心處彎沉值作為驗證指標，通過對比試驗段建成后的實測彎沉值和有限元模型計算彎沉值，驗證本文三維有限元模型的可行性和有效性。通過ABAQUS有限元軟件計算3種結(jié)構(gòu)的路面彎沉計算云圖見圖3。

圖3 3種倒裝結(jié)構(gòu)路面彎沉云圖(單位：m)

利用落錘式彎沉儀(FWD)對3種結(jié)構(gòu)的試驗段路表彎沉值進行檢測，倒裝結(jié)構(gòu)路表彎沉值數(shù)據(jù)見表2。

表2 3種倒裝式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)路表彎沉值對比 0.01 mm

由表2可知，結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的路表實測彎沉值和計算彎沉值非常接近，而結(jié)構(gòu)III的兩者之間的彎沉值存在一定差異，主要原因是實測彎沉測量于2018年12月份開展，溫度偏低，各結(jié)構(gòu)層材料模量偏大，但實測彎沉只比計算彎沉減少8.8%。因此，可以認為3種有限元模型具有較高的可靠性，計算結(jié)果能較好地滿足分析要求。

2.2 路面彎沉對比分析

分析通過雙輪中心距模型邊緣不同距離處的路面彎沉值，路面彎沉分析結(jié)果見圖4。

圖4 路面彎沉

由圖4可知，路面彎沉出現(xiàn)在2個輪胎中心處，結(jié)構(gòu)I的輪胎中心處最大彎沉為33.1(0.01 mm)，結(jié)構(gòu)II的輪胎中心處最大彎沉為31.3(0.01 mm)，結(jié)構(gòu)III的輪胎中心處最大彎沉為26.0(0.01 mm)。由此可見，結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的路面彎沉非常接近，2種結(jié)構(gòu)區(qū)別在于ATB-25和級配碎石基層的厚度不一致，但兩層總厚度及模量一樣，從降低工程造價角度來說，可適當減少ATB層的厚度增加級配碎石基層厚度但保持兩層總厚度不變。相比結(jié)構(gòu)II，結(jié)構(gòu)III最大的區(qū)別在于增加了1層18 cm的水泥穩(wěn)定碎石底基層，其計算的路面彎沉下降了16.9%，對于減少路面彎沉效果明顯。因此，從路面最大彎沉對比來看，結(jié)構(gòu)III優(yōu)于結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II，而結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II區(qū)別不大。

2.3 瀝青層層底拉應變對比分析

3種路面結(jié)構(gòu)模型沿行車方向的水平應變云圖見圖5。

圖5 路面結(jié)構(gòu)剖面應變云圖

由圖5可見，結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的瀝青面層最大層底拉應變出現(xiàn)在AC-20瀝青層層底，且處于輪胎荷載中心正下方；結(jié)構(gòu)III的瀝青面層最大層底拉應變出現(xiàn)在ATB-25瀝青層層底，但處于車輪跡邊緣正下方。分別分析輪胎荷載中心正下方AC-20和ATB-25瀝青層層底距模型邊緣不同距離處的拉應變，比較3種路面結(jié)構(gòu)的差異，分析結(jié)果見圖6。

圖6 AC-20瀝青層層底沿行車方向水平應變

結(jié)構(gòu)I的瀝青層層底最大拉應變?yōu)?56.8×10-6，結(jié)構(gòu)II的瀝青層層底最大拉應變?yōu)?35.9×10-6，結(jié)構(gòu)III的瀝青層層底最大拉應變?yōu)?24.4×10-6。結(jié)構(gòu)II的瀝青層層底最大拉應變較結(jié)構(gòu)I減少了8.1%，而結(jié)構(gòu)III的瀝青層層底最大拉應變降低了51.6%。因此，結(jié)構(gòu)III的面層抗疲勞性能最優(yōu)，而結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II差異較小。

結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的ATB層沿行車方向水平應變見圖7所示。

圖7 ATB層沿行車方向水平應變

由圖7可見，對于結(jié)構(gòu)I，沿行車方向的最大水平拉應變出現(xiàn)在ATB層上表面，為263.2×10-6。對于結(jié)構(gòu)II，沿行車方向的最大水平拉應變出現(xiàn)在AC-20瀝青層層底，而對于結(jié)構(gòu)II的ATB層沿行車方向的最大水平拉應變出現(xiàn)在ATB層上表面，其值為154×10-6。換句話說，要求結(jié)構(gòu)I的AC-20和ATB層均具有較好的抗疲勞性能，結(jié)構(gòu)II的AC-20層具有較高的抗疲勞性能。

2.4 半剛性基層層底拉應力分析

3種路面結(jié)構(gòu)模型沿行車方向的水平應力云圖見圖8。

圖8 路面結(jié)構(gòu)應力云圖(單位：Pa)

由圖8可見，半剛性基層最大拉應力出現(xiàn)在半剛性基層層底。雙輪中心距模型邊緣不同距離處的半剛性基層層底拉應力見圖9。

圖9 半剛性基層層底沿行車方向水平拉應力

由圖9可見，半剛性基層層底沿行車方向的最大拉應力出現(xiàn)在2個輪胎中心正下方，結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的半剛性基層層底最大拉應力幾乎相等，最大值分別為0.072 6 MPa和0.072 3 MPa。結(jié)構(gòu)III的半剛性基層層底最大拉應力為0.050 9 MPa。雖然結(jié)構(gòu)III的半剛性基層層底最大拉應力較結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II減少30%左右，但3種結(jié)構(gòu)的半剛性基層層底最大拉應力均非常小。

2.5 路基頂面豎向壓應變分析

3種路面結(jié)構(gòu)模型路基頂面豎向壓應變云圖見圖10。雙輪中心距模型邊緣不同距離處的路基頂面豎向壓應變見圖11。

圖10 路基頂面豎向壓應變云圖

圖11 雙輪中心距模型邊緣不同距離處的路基頂面豎向壓應變

由圖10、11可見，路基頂面豎向最大壓應變出現(xiàn)在2個輪胎中心正下方，結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的路基頂面豎向最大壓應變差別不大，最大值分別為127.9×10-6和130.6×10-6。結(jié)構(gòu)III的路基頂面豎向最大壓應變?yōu)?4.5×10-6。結(jié)構(gòu)III的路基頂面豎向最大壓應變較結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II分別減少26%和28%左右，這主要是由于結(jié)構(gòu)III設置了2層半剛性基層，因而具有較好的荷載擴散能力，路基頂面豎向最大壓應變相對其他2種結(jié)構(gòu)降低明顯。

3 結(jié)語

本文依托實際工程對3種典型倒裝瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應進行對比分析，通過ABAQUS有限元軟件建立3種倒裝結(jié)構(gòu)的力學模型，在標準軸載BZZ-100下，進行了瀝青路面結(jié)構(gòu)力學模擬計算，對比分析了3種倒裝瀝青路面結(jié)構(gòu)的路面彎沉、瀝青層層底拉應變、ATB層層頂拉應變、半剛性基層層底拉應力及路基頂面豎向壓應變，得到以下結(jié)論。

1) 結(jié)構(gòu)I、結(jié)構(gòu)II及結(jié)構(gòu)III的輪胎中心處最大彎沉分別為33.1(0.01 mm)，31.3(0.01 mm)，26.0(0.01 mm)，從路面最大彎沉對比來看，結(jié)構(gòu)III優(yōu)于結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II，而結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II區(qū)別不大。

2) 結(jié)構(gòu)I、結(jié)構(gòu)II及結(jié)構(gòu)III的瀝青層層底最大拉應變分別為256.8×10-6，235.9×10-6，124.4×10-6。因此，結(jié)構(gòu)III的面層抗疲勞性能最優(yōu)，而結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II差異較小。

3) 結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II沿行車方向的最大水平拉應變出現(xiàn)在ATB層上表面，其值分別為263.2×10-6，154×10-6。因此，結(jié)構(gòu)I的AC-20和ATB層均應具有較好的抗疲勞性能，結(jié)構(gòu)II中需要AC-20層具有較高的抗疲勞性能。

4) 結(jié)構(gòu)I、結(jié)構(gòu)II及結(jié)構(gòu)III的半剛性基層層底最大拉應力分別為0.072 6，0.072 3，0.050 9 MPa，3種結(jié)構(gòu)的半剛性基層層底最大拉應力非常小。

5)結(jié)構(gòu)I、結(jié)構(gòu)II及結(jié)構(gòu)III的路基頂面豎向最大壓應變分別為127.9×10-6，130.6×10-6，94.5×10-6，結(jié)構(gòu)III的路基頂面豎向最大壓應變相對其他2種結(jié)構(gòu)降低明顯，因而具有較好的荷載擴散能力。