高模量瀝青混凝土路面力學性能分析

蔣星川

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400000）

瀝青路面遭受車轍破壞的問題由來已久，針對該問題眾多道路交通專業學者都曾提出相關解決方案。國外學者為緩解瀝青混凝土路面產生車轍，提出了一種新的瀝青混凝土材料理念——高模量瀝青混凝土（HMAC），這種材料主要的作用原理是通過提高路面模量，從而提高路面的抗車轍能力。經過多年的研究表明，該材料具有良好的抗車轍能力，在道路建設方面受到關注。國內路面相關的結構研究相對落后，所以，有必要對HMAC材料的路用性能進行力學響應分析，對比其與普通瀝青混凝土的差異，更好地了解該新型材料的路用特性。

本文主要運用計算機軟件模擬技術對HMAC路面進行建模，通過生成的模型對不同荷載作用、不同車速、不同溫度等外界因素影響下的路面結構力學響應數據進行分析，然后將HMAC路面計算得出的數據與普通瀝青混凝土的計算數據進行對比，分析該新型材料在提升路面抗車轍能力上的具體表現。依據這些數據分析結果，可以更加深入地了解瀝青路面的車轍形成過程，為今后的道路路面建設提供新的設計方案和依據。

1 HMAC路面模型的建立

1.1 路面結構設計

在進行路面結構設計的過程中，除考慮路面的實際行車需求外，還要考慮道路工程項目所在地的氣候、地質、水文等條件，在此基礎上設計適宜的路面結構、選擇所需的路面結構材料，并結合實際施工環境，在現有的材料基礎上選擇最適用的工程材料進行方案設計。依據道路使用中預測的車輛荷載、彎沉指數和半剛性基層所需承受的拉應力推算出設計路面的厚度，結合該計算結構計算路面面層上可能產生的最大剪應力，根據計算結構和基層的實際特性進行路面結構設計。在該研究中利用ABAQUS軟件對路面結構進行建模。為了盡量縮小路面模型計算得到的數據和真實路面測得數據之間的誤差，還要對路面模型做出相應的一些假設，如瀝青面層采用粘彈性理論；路面結構層之間是連續、均勻、各向同性的；路面響應計算時不考慮路面自身重力和路面橫、縱坡的影響。在此假設下，設計的路面結構與傳統路面結構并無太大差異，只是將路面結構中的中面層材料換為HMAC材料，因為中面層承受來自路面的荷載作用，并將其傳遞到基層和下面層，起到承上啟下的作用，所以，將該高模量瀝青混凝土材料應用于中面層能夠起到很好的承受荷載并緩解基層壓力的作用，從而保護基層不受剪切破壞，就此而言，將該材料應用于中面層是一個適宜的實驗方案。

1.2 移動荷載的分布及施壓

在建立的路面模型中，為了較好地反映車輛在道路中行駛時的荷載移動情況，在該研究中假設車輛輪載與路面等效接觸面積為0.213m×0.157m；為了方便計算，在此處將模型受力分布簡化為垂直均布矩形分布。因為車輛在行駛時汽車兩側車輪是對稱情況，且在行駛過程中兩側車輪的相互影響較小，所以，在模型計算中對該因素的影響忽略不計，只需要計算車輛單側的車輪數據。

1.3 幾何模型的建立

在建立路面模型時，為了減少計算過程和確保計算的準確性，選擇建立一個長8m、寬6m、厚3m的路面模型。而為了提高有限元計算結果的準確性，要對路面結構形式進行合理的網格劃分，同時，由于行車荷載作用在模型的移動帶上，所以，在對路面結構進行網格劃分時采用三維六面體八結點線性減縮積分等參單元，通過該方法建立的網格模型方可使移動帶隨著路面結構層自上向下網格細化分布，能夠較為真實地反映車輛荷載在路面結構層的作用和影響。

將模型的計算結果與參考文獻中的模型進行對比，發現兩種模型的應力曲線變化基本一致，經過驗證后可知該模型的計算結果具備一定可靠性，計算數據可以用于進一步研究分析。

2 移動荷載作用下HMAC路面分析

當路面上行駛的車流量較大時，車輛荷載對于路面的作用是在短時間內反復施加的，而這種荷載的反復作用對于產生路面車轍有著極為重大的影響，所以，研究車輛移動荷載對于產生車轍的影響和研究瀝青路面車轍病害有著重要的意義?？梢栽谥敖⒌穆访婺Ｐ椭性O置移動荷載作用下的HMAC路面模型，分析車輛的軸重、速度等因素對路面結構的影響，然后再將HMAC路面模型計算出的數據參數與普通瀝青混凝土路面進行對比，從而分析高模量瀝青混凝土在抗車轍破壞時的材料特性。

2.1 基于有限元的HMAC路面模型分析

在此前建立的模型基礎上建立路面結構應力場模型，并選取標準軸載BZZ-100，車輛荷載0.7MPa，車速60km/h，車輛兩側車輪中心距0.293m，由于在此前的模型中為了方便計算將荷載設定為矩形均布荷載。

根據路面結構的受力特點和有限元分析理論方法對所選取的A、B、C三點上的HMAC路面進行動響應分析。通過軟件模擬可以得到路面結構的動響應分析結果，在這些點中選取力學響應值最大的點，將這些值輸入軟件后會生成一個路面的動響應云圖，再根據動響應云圖選取力學響應值最大的點，在這些選取的點中對所需的位移和應力值進行取值，并對所選取的數值進行分析和對比，通過該方法可以很好地反映HMAC路面各結構層在移動荷載下的力學響應，對路面模型的響應結果進行分析能夠得到該路面在荷載作用下各結構層的受力變形特征，從而了解HMAC路面抵抗車轍的性能。

2.2 不同車速對HMAC路面的影響

不同車速對路面的作用力效果不同，在車速不同時，路面的受力變形情況也有所區別，分析不同車速下路面結構的受力變形情況，對于研究瀝青路面在車輛荷載作用下車轍變形的情況是十分必要的，因此，在上述所建立的路面模型中保持車輛軸載不變，將車速分別設置為30km/h、60km/h、90km/h。通過模型計算，得到的計算結果見表1。

表1 不同車速下HAMC路面動響應對比

由數據分析可知，在路面所受軸載不變、車速增大時，HMAC路面結構層的各項參數值都會相應地減小。由此可見，提高車速對減小路面的剪應變能夠起到一定作用。同時，車輛荷載作用下路面的豎向位移也隨著車速的提高而降低，但降幅較小，只降低了0.009m，所以，車速對于行車荷載對路面結構所造成的豎向位移影響較小，這是因為提高車速會減少車輛在路面上通過某一路段的時間，從而降低車輛荷載對路面的動響應值，減少車輛荷載作用對路面的損壞。

2.3 不同軸載對HMAC 路面的影響

從目前的調查研究可知，車輛的重載和超載是瀝青路面形成車轍等損壞的重要原因之一，所以，分析不同軸載對路面結構的力學響應對于了解路面車轍的產生具有重要意義。在此將車速設置為60km/h，路面加壓力分別為0.7MPa、1.0MPa、1.4MPa、1.8MPa，其計算比對結果見表2。

表2 不同軸載下HAMC路面動力響應數據對比

當車速為60km/h，車輛荷載不斷增加時，路面結構層中各項參數均顯著增大；當車輛荷載由0.7MPa增加到1.4MPa時，表2中的各計算參數絕對值最小增加了90%，最大增加了140%；當荷載由1.4MPa繼續增加至1.8MPa時，各計算參數絕對值增加了26%～32%。由以上分析可知，當軸載增大時，路面結構層中的剪應變、剪應力也顯著增大，會導致路面產生不均勻沉降，從而造成車轍等路面損壞。由此可見，治理超載對于保護路面結構免受破壞具有重要意義。

3 HMAC路面與普通瀝青混凝土路面變形對比

在將HMAC路面和普通瀝青路面的抗車轍性能進行對比時，建模方式與上述HMAC路面的建模方式相同，其中不同的地方是將中面層的高模量瀝青混凝土材料換為普通瀝青材料AC-20。

從該模型的計算中可以得到普通瀝青混凝土面層的相對最大車轍值，再與HMAC路面的相對最大車轍值進行對比分析。兩種路面計算結果見表3。

表3 瀝青面層各結構研究點變形值

通過表3數據分析可知，普通瀝青混凝土路面模型中計算出的各結構層變形值都高于HMAC路面。由此可見，HMAC材料可以有效降低路面各結構層的相對最大變形量，對提高瀝青路面抗車轍能力效果顯著。如果高等級的瀝青路面中能夠大面積使用該材料，將大大降低瀝青路面出現前期車轍病害的時間和概率，對延長道路的使用壽命具有積極作用。

4 結語

本文通過對高模量瀝青混凝土路面進行計算機建模，由計算結果分析瀝青路面車轍的力學響應，得出以下相關結論：

相比于普通瀝青混凝土路面而言，高模量瀝青混凝土（HMAC）路面具有較好的抗車轍能力，當在路面上施加不同的荷載時，兩種路面的力學響應趨勢與荷載的增大趨勢基本一致，但經過對比分析發現，HMAC路面的應變變形程度是明顯小于普通瀝青混凝土路面的。除此之外，HMAC路面各結構層在受到外界荷載作用下的蠕變變形要小于普通瀝青混凝土路面，且普通混凝土路面形成車轍的速度要明顯大于HMAC路面。雖然，高模量瀝青材料對抗車轍能夠起到一定效果，但抗車轍效用的高低取決于是否合理、科學地使用該材料。通過分析計算可以得知，HMAC材料應用于路面結構的中面層，厚度在6～8cm最為適宜。

此外，本文是在計算機建立的模型上進行計算分析，有許多實際因素無法被計算在模型范圍內，如在進行路面荷載作用下的力學響應分析時沒有考慮路面的不平整度對響應結果的影響；在溫度場的模擬中沒有考慮熱量傳遞在各結構層對溫度的累積效果。所以，在以后的研究中希望可以完善該分析方法的不足，改進分析理論和模型，在更加完善的理論和模型支持下對抗車轍混凝土材料進行進一步研究分析，以此求得更加接近實際使用情況的實驗模擬數據，為抗車轍瀝青材料的推廣和應用提供更加科學的理論依據和指導。