倒裝結構瀝青路面疲勞性能分析

劉昕宇， 楊保興， 魏有軍

（1.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392；2.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125；3.山東省煙臺市龍口公路建設養護中心，山東 煙臺 265700）

由于設計、施工規范日趨完善，施工機械性能和施工技術不斷提高，半剛性基層瀝青路面成為我國瀝青路面結構的主要形式；但隨著交通量不斷增長，瀝青路面的早期破壞現象非常嚴重。如何解決瀝青路面耐久性差、使用壽命短的問題已經成為新時期建設的主要方向之一。

從結構角度來看，半剛性基層材料的模量期望值在材料設計中不易實現。雖然半剛性基層的荷載擴散能力強，有利于減薄路面厚度、降低造價，但是過高的模量會導致基層底面易發生開裂，進而形成反射裂縫[1]。將半剛性基層作為底基層、級配碎石作為基層的倒裝結構瀝青路面，由于半剛性基層的整體性及級配碎石的排水和過渡作用，不僅具有良好的整體性能，而且具有整體的軟土地基適應性[2]。

國內對倒裝結構瀝青路面已經有了一些研究。易量[3]對倒裝結構瀝青路面的級配碎石層厚度進行影響分析；陳東鵬等[4]主要針對倒裝結構瀝青路面的面層層底拉應變進行分析研究；牛敏強等[5]認為路面結構疲勞開裂壽命驗算分兩階段進行并結合實際工程進行壽命測算。但是，對倒裝結構瀝青路面受力疲勞后的力學特性的研究較少；此外，針對倒裝結構瀝青路面兩階段受力特性，尚無不同模型間的比較分析與不同因素的影響研究。本文基于瀝青材料與無機結合料的疲勞壽命方程，利用數值分析軟件對倒裝結構疲勞壽命進行分析，為倒裝結構瀝青路面的研究和質量控制提供基礎依據。

1 結構參數與受力特性

1.1 結構與環境參數選取

倒裝結構是福建等我國南方省份使用的典型路面結構[6]。各材料層參數取值結合JTGD 50—2017《公路瀝青路面設計規范》中推薦的設計參數。見表1。

表1 倒裝結構瀝青路面各材料層參數

我國瀝青路面設計通常采用雙圓均布荷載，標準軸載為0.7 MPa，轉換為平面后為11 7371 Pa，在數值分析軟件中也采用此參數進行計算。

1.2 受力特性

受力狀態根據半剛性基層是否失效破壞，呈現明顯的兩階段，見圖1。

圖1 倒裝結構瀝青路面受力狀態

對該結構的疲勞壽命計算可分兩階段。第一階段主要考慮半剛性基層的疲勞壽命，相對半剛性基層，瀝青層產生的疲勞很小，可近似看作不發生疲勞；第二階段半剛性基層發生破壞，承載力大幅下降，瀝青層成為主要承拉層，水穩層破壞后可近似視為級配碎石層，因此設定半剛性基層破壞后回彈模量為700 MPa 進行第二階段瀝青層疲勞壽命計算模擬。計算過程中，將瀝青層兩階段的壽命和視為總壽命。

式中：LS——倒裝結構總壽命；

Lc——半剛性基層失效時瀝青層的壽命衰減，即結構一階段壽命；

La——瀝青層二階段壽命。

2 疲勞損傷模型與疲勞壽命計算

2.1 基于損傷力學的疲勞損傷研究

車輛荷載作用會使路面材料產生微裂縫、微孔隙等損傷，導致結構承載力下降，一般用疲勞損傷模型表征。損傷模型可以展現路面性能變化的全過程，為道路使用性能的觀察提供一定指導。

損傷力學最早起源于1958 年，Kachanov L M[7]將連續度和有效應力概念引入金屬材料蠕變損傷來進行模擬分析；之后直到20 世紀70 年代后期，Lemaitre等利用連續介質力學的方法，把損傷因子進一步推廣為一種場變量，逐漸形成了連續介質損傷力學學科[8]。損傷力學誕生于金屬材料領域，在這方面的研究較早且深入，而將其應用于道路領域的研究則相對較晚，但國內外學者在水泥混凝土和瀝青混合料方面也進行了一定程度地研究。

孫志林[9]利用有限元對比分析了Miner 線性損傷模型和Chaboche 非線性損傷模型在瀝青路面應用中的適用性并討論了混合料模量、結構層厚度等參數對損傷場、應力場分布特性的影響，最終得出Chaboche非線性損傷模型更符合路面的實際情況。韋金城[10]修正Chaboche非線性疲勞損傷模型，利用有限元對小梁試件進行力學分析，結果與試驗數據有較好的一致性。賴正聰[11]基于不確定模型的概率統計理論建立可靠度疲勞損傷模型并通過試驗驗證了損傷模型的適用性。蘇雅玲等[12]同樣借助損傷力學，建立疲勞壽命服從正態分布的可靠度模型，計算可靠度保障率下的損傷變量并與傳統力學演化模型結合，判斷構件的損傷程度。

目前，國內外損傷力學的研究在水穩碎石和瀝青混合料的材料特性較多，而由于路面結構的差異，尚無研究將其整合應用于倒裝結構結構壽命計算的。本文針對倒裝結構瀝青路面，利用數值分析并基于疲勞模型進行壽命計算。

2.2 模型確定與計算

目前，常用的疲勞損傷理論主要是Miner 線性疲勞損傷模型與Chaboche 非線性疲勞損傷模型。由于Chaboche 非線性疲勞損傷模型的損傷積累與有效應力有關，考慮了疲勞損傷發展過程中的材料力學性能劣化，與疲勞試驗和實際工程運行情況的結果相似；因此選用Chaboche 非線性模型進行倒裝結構瀝青路面疲勞行為分析。

式中：D——損傷變量；

N——荷載作用次數；

σ——荷載應力水平；

a*——與荷載有關的材料參數；

p，q——與溫度有關的材料參數。

計算過程中，q一般取0，其余參數參照相關研究數據[13～14]進行取值，見表2。

表2 倒裝結構瀝青路面各材料層參數

計算可知，采用當前結構層參數進行設計，在各層材料與施工滿足設計要求的情況下，第一階段疲勞壽命約為1 000 萬當量軸次；二階段剩余疲勞壽命約為1 000 萬當量軸次，結構總疲勞壽命約為2 000 萬當量軸次。

3 結構設計參數對疲勞壽命影響分析

為明確各層材料對倒裝結構瀝青路面疲勞壽命的影響，分別研究瀝青上中面層、瀝青處治碎石下面層、級配碎石層、半剛性基層及路基對兩階段壽命的影響。

3.1 瀝青上中面層對結構影響與優化建議

保持其余結構層參數不變，瀝青上中面層模量的增加對于疲勞壽命雖有提升，但效果并不明顯。見圖2。

圖2 瀝青上中面層模量對結構疲勞壽命影響

正常模量范圍內的瀝青面層混合料模量對結構的疲勞影響較小；但高模量瀝青混合料的應用能夠改善瀝青層底部以及半剛性基層的受力狀態，主要作用在于控制中上面層的車轍。另外，高模量瀝青混合料低溫抗裂性差，應因地制宜考慮是否提升模量。

3.2 瀝青處治碎石層對結構影響與優化建議

增加瀝青處治碎石（ATB）層厚度可以降低半剛性基層層底拉應力，從而提高半剛性基層與瀝青層的壽命；ATB 層的厚度主要影響瀝青層的壽命。見圖3。

圖3 瀝青處治基層厚度對結構疲勞壽命影響

增加ATB 層模量對結構疲勞壽命的影響并不明顯，隨著模量的增加，二階段壽命逐漸減小。見圖4。

圖4 瀝青處治基層模量對結構疲勞壽命影響

ATB 層模量的提高會導致層底拉應力增加，從而使ATB 層處于不利的受力狀態，進而影響結構疲勞壽命。

對倒裝結構瀝青路面而言，增加ATB 層厚度能夠明顯改善瀝青層的受力狀態，進而明顯改變結構壽命，從而適用于重載交通；但相應的工程造價也會顯著提高，在實際工程中應結合工程需要與造價情況進行厚度設計。

3.3 級配碎石層對結構影響與優化建議

級配碎石層厚度的增加，降低半剛性基層底部的拉應力，提高半剛性基層的壽命；但由于瀝青層下的結構本就較厚，因此級配碎石層厚度的增加并不能大幅減小瀝青層底拉應力，故對于瀝青層壽命的影響很小。見圖5。

圖5 級配碎石層厚度對結構疲勞壽命影響

級配碎石層模量的增加也會提高結構的疲勞壽命。從材料角度看，級配碎石為非線彈性材料，其模量受圍壓、豎向應力等環境因素影響顯著，過厚的級配碎石層并不利于承載力的提高；此外，級配碎石層模量的變化對半剛性基層的壽命影響很小，但其對第二階段瀝青層壽命有顯著的影響。見圖6。

圖6 級配碎石層模量對結構疲勞壽命影響

實際工程中，由于施工工藝的限制，級配碎石的模量有時無法達到實際要求，這就需要完善相應施工工藝，保證壓實質量，以提高倒裝結構瀝青路面的使用壽命。

綜上所述，級配碎石厚度對于瀝青層壽命的影響很小且厚度的增加還有可能帶來壓實困難等問題，從而影響上部瀝青層的壽命，因此通過調節級配碎石層厚度提高結構壽命并不是理想的措施；而級配碎石層模量提高能夠明顯降低ATB 層底的拉應變并提升ATB 層的疲勞壽命。因此，應注重控制級配碎石層施工工藝以及施工質量，盡量提升其壓實質量，以提高級配碎石層模量，從而有利于改善瀝青結構層的疲勞壽命。

3.4 半剛性基層對結構影響與優化建議

半剛性基層厚度對半剛性結構疲勞壽命的影響顯著，隨厚度增加近乎呈指數型增長；對于結構的第二階段壽命也有較大程度的提升。見圖7。

圖7 半剛性基層厚度對結構疲勞壽命影響

由于破壞后的模量假設，半剛性的模量變化只對第一階段壽命有效。隨著半剛性基層模量的增加，一階段壽命近似線性下降。見圖8。

圖8 半剛性基層模量對結構疲勞壽命影響

因此，從保障結構疲勞壽命角度，半剛性基層采用低劑量水穩碎石，即低模量材料，對結構受力和結構疲勞壽命是有利的。

綜上所述，增加半剛性基層厚度能夠顯著提升半剛性基層的疲勞壽命。相對增加瀝青層厚度或改善級配碎石層模量而言，增加半剛性基層厚度是最有效且最經濟的方法。

半剛性基層模量的提高容易導致其層底拉應力增大，使得半剛性基層處于不利受力狀態，進而影響半剛性基層疲勞壽命和結構疲勞壽命；因此進行半剛性基層設計時，在保證抗壓、抗拉強度等硬性要求基礎上，模量盡量控制在JTGD 50—2017 要求的低值以改善層底的受力狀態。施工過程中一定要規范管理，控制水灰比，將半剛性基層的模量控制在相應范圍內，以防止模量過高導致結構早期破壞。

3.5 路基層對結構影響與優化建議

路基是保證路面結構長期使用的關鍵。路基模量對半剛性基層疲勞壽命的影響較大，模量＜80 MPa時近似線性相關；而對二階段的疲勞壽命影響較小。見圖9。

圖9 路基模量對結構疲勞壽命影響

路基模量對總壽命的影響主要是通過影響半剛性基層的壽命實現的。路基模量的提升能夠改善半剛性基層層底的受力狀態，從而提升結構疲勞壽命；因此，為保證路基承載力與長期使用性能，在施工過程中應保證路基的壓實質量與均勻性。

4 結論與建議

在設計與施工中應該嚴格控制路基的施工質量，采用較低模量的水穩碎石，以保證倒裝結構瀝青路面的正常使用。其他層盡量在經濟允許的情況下，使用高模量材料與強壓實工藝。

根據現場實際狀況，半剛性基層破壞后的模量并非由9 000 MPa 突然下降至700 MPa；因此，計算過程與現場實際使用情況仍存在一定偏差，對半剛性基層破壞后的承載力變化仍需進一步研究確定，以便修正瀝青路面的壽命計算。