基于半柔性組合路面的有限元分析

于宏明，楊清塵

（1.重慶交通大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

0 引言

半柔性路面的路用性能相較于普通瀝青路面與混凝土水泥路面的優(yōu)點突出，隨著交通行業(yè)的發(fā)展，半柔性路面越來越多地應(yīng)用在實際工程中，并且取得了相當(dāng)可觀的成果[1]。大部分研究都在材料方面對于半柔性路面性能進行優(yōu)化，很少從實際出發(fā)來研究半柔性路面在實際應(yīng)用中的性能。該研究依托于實際工程，從實際出發(fā)將SFAC-13與SFAC-20級配分別應(yīng)用在上面層與中面層并利用有限元分析軟件abaqus，對彈性層狀體系模型在動態(tài)荷載作用下的響應(yīng)進行模擬分析和校驗[2]，并將傳統(tǒng)SMA路面進行數(shù)值模擬分析，對比分析不同路面的受力與變形的特點。

1 半柔性混合料設(shè)計

1.1 基體瀝青混合料設(shè)計

基體瀝青混合料的設(shè)計是半柔性混合料設(shè)計的重要步驟。SFAC-13使用SBS I-C改性瀝青，SFAC-20使用70號A級基質(zhì)瀝青，粗集料為玄武巖，細集料為石灰?guī)r，填料采用礦粉，經(jīng)過原材料的指標(biāo)測定試驗均滿足規(guī)范要求。目標(biāo)級配如圖1、圖2。經(jīng)試驗SFAC-13最佳油石比為3.7%，SFAC-20最佳油石比為3.4%。通過試驗得到目標(biāo)配合比的性能試驗結(jié)果見表1。

表1 基體瀝青混合料試驗結(jié)果

圖1 SFAC-13基體瀝青混合料的配合比設(shè)計圖

圖2 SFAC-20基體瀝青混合料的配合比設(shè)計圖

1.2 水泥基膠漿的設(shè)計

參考相關(guān)文獻[3]，水泥采用華潤水泥（湛江）有限公司的P.C32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，粉煤灰采用廣東省化州市粵能化工實業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，礦粉采用廣東省電白縣霞洞蘭蘭石米廠生產(chǎn)的礦粉，微硅灰采用四川某公司生產(chǎn)的微硅灰，減水劑采用減水率為27%的聚羧酸系高效減水劑。通過正交試驗最終確定膠漿的配合比以水泥為基礎(chǔ)：水泥100%，粉煤灰10%，微硅粉12%，礦粉15%，減水劑1.05%。水為所有膠凝材料總量的50%，水泥基膠漿的性能試驗結(jié)果見表2，滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表2 水泥基膠漿的性能試驗結(jié)果

2 半柔性路面路用性能試驗

2.1 馬歇爾及浸水馬歇爾試驗

參考相關(guān)文獻[4-5]，采用最佳油石比成型馬歇爾試件，進行灌漿。SFAC-13與SFAC-20級配馬歇爾及浸水馬歇爾試驗結(jié)果見表3、表4。試驗結(jié)果滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表3 馬歇爾試驗指標(biāo)測定結(jié)果

表4 浸水馬歇爾試驗指標(biāo)測定結(jié)果

基體瀝青混合料未灌漿之前，由于空隙率過大，所以馬歇爾穩(wěn)定度較小、流值偏大。水泥基膠漿的灌入，顯著地提高了馬歇爾穩(wěn)定度，使流值減小。

2.2 凍融劈裂試驗

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20—2011的試驗方法，采用最佳油石比成型馬歇爾試件，進行瀝青混合料凍融劈裂試驗，SFAC-13與SFAC-20級配試驗結(jié)果見表5。試驗結(jié)果滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表5 凍融劈裂試驗指標(biāo)測定結(jié)果

灌漿后的基體瀝青混合料擁有極佳的水穩(wěn)性能。

2.3 小梁彎曲試驗

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20—2011中的試驗方法，采用最佳油石比成型小梁彎曲試件（尺寸5×5×30 cm，試驗溫度-10℃，加載速度10 mm/min），用彎拉強度與彎拉應(yīng)變來檢驗低溫抗裂性能。SFAC-13與SFAC-20級配試驗結(jié)果見表6，滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表6 小梁彎曲試驗結(jié)果

2.4 高溫穩(wěn)定性檢驗

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20—2011中T0703—2011的試驗方法，采用最佳油石比成型車轍試件，檢驗混合料的高溫穩(wěn)定性。SFAC-13與SFAC-20級配車轍試驗結(jié)果如表7所示。由表中的數(shù)據(jù)可知滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表7 車轍試驗結(jié)果

灌漿后的基體瀝青混合料有著極好的高溫穩(wěn)定性，水泥基膠漿的灌入使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性大大提高。

3 有限元分析

利用有限元分析軟件abaqus，對彈性層狀體系模型在動態(tài)荷載作用下的響應(yīng)進行模擬分析。半柔性路面上面層為SFAC-13，中面層為SFAC-20。SMA路面上面層為SMA-13，中面層為SMA-20，參考當(dāng)?shù)嘏f路設(shè)計情況與相關(guān)文獻[6-7]得到路面結(jié)構(gòu)組合形式如表8。

表8 路面結(jié)構(gòu)材料和參數(shù)

3.1 模型的基本形式

研究模擬在0.7 MPa均布荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形情況。路面結(jié)構(gòu)是帶狀構(gòu)造物，其縱向（行車方向）和深度方向可視為無限大，而橫向尺寸相對較小，但建模過程中無法將模型的尺寸取為無限大，因此需合理確定計算模型的尺寸，使其在保證計算精度的同時又不增加過多的計算量。建立道路模型為15 m×5 m的正方形，土基深度4.24 m，依據(jù)對稱原理建立1/2尺寸模型，即7.5 m×3 m的模型。如圖3所示。

圖3 半柔性路面結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 輸出參數(shù)的選擇

模型的輸出參數(shù)必須能夠反映路面結(jié)構(gòu)整體性能的變化，從半柔性路面抗車轍的角度出發(fā)，首先考慮的是能夠表征瀝青混合料的高溫性能。瀝青混凝土的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力以及豎向位移對于高溫車轍有著重要的影響，故選擇沿路體深度的最不利截面的應(yīng)力變化與沿路面橫向的位移變化為輸出結(jié)果。

3.3 計算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

0.7 MPa均布荷載條件下應(yīng)力沿最不利豎向截面的計算結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 0.7 MPa均布荷載條件下水平方向應(yīng)力

圖5 0.7 MPa均布荷載條件下豎直方向應(yīng)力

0.7 MPa均布荷載條件下豎向位移沿路面橫向的計算結(jié)果見圖6。

圖6 0.7 MPa均布荷載條件下豎向位移

通過對結(jié)果分析得出，兩種路面不論水平應(yīng)力還是豎直應(yīng)力均主要集中在面層。經(jīng)過對比分析，半柔性路面與SMA路面的應(yīng)力沿豎向最不利截面的分布上擁有相同的分布規(guī)律，但是半柔性路面的最大應(yīng)力都略小于SMA路面。半柔性路面的豎向位移要明顯地小于SMA路面，擁有更好的抗車轍能力。

4 結(jié)語

a）半柔性路面擁有極佳的路用性能，其性能都能很好地滿足規(guī)范的要求。

b）兩種路面的應(yīng)力主要集中在面層，而半柔性路面擁有更好的力學(xué)性能，所以在整修的路段半柔性路面是較好的選擇。

c）在組合路面中，半柔性路面可以很好地發(fā)揮出自身的優(yōu)勢，通過模擬可以看出，在動荷載作用下，半柔性路面相較于SMA路面變形更小，結(jié)合試驗可以看出半柔性路面擁有更好的抗車轍能力。