高溫重載條件下全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

林志偉 梁永存 龍威宇 韓榮杰

(1.中交一公局集團有限公司 北京 102205； 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

由于建設(shè)成本制約，非洲地區(qū)高速公路路面目前主要采用普通瀝青路面，這種普通的瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命往往不足[1]。為了減少瀝青路面結(jié)構(gòu)病害、延長瀝青路面使用壽命，世界各國相關(guān)道路專家對永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的探討研究日漸增加。高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)是永久性瀝青路面主要結(jié)構(gòu)形式之一，高模量瀝青混合料材料自身較高的強度、剛度，以及低空隙特性使得路面結(jié)構(gòu)具備優(yōu)秀的耐久性和抗車轍變形能力[2]。

高模量瀝青混凝土具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗車轍變形能力，但由于其模量相比普通瀝青混凝土有很大提高，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層剛度增大，為了改善不同路面結(jié)構(gòu)剛度協(xié)調(diào)性，本文考慮在剛度較大的高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層和土基之間設(shè)置一層柔性過渡底基層，實現(xiàn)高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層和土基之間剛度逐步過渡，以期能有效改善高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，延長路面使用壽命。因此，本文定義一種新的路面結(jié)構(gòu)——全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)，其路面各結(jié)構(gòu)層全為柔性材料，面層和基層均采用高模量瀝青混凝土鋪筑，并設(shè)置柔性過渡底基層。

本文依托雅杜高速公路項目，參照法國規(guī)范進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)雅杜高速公路全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，通過有限元數(shù)值模擬分析方法，對全柔性高模量瀝青路面進行力學(xué)敏感性分析，研究在不同車輛荷載作用、結(jié)構(gòu)層材料模量，以及結(jié)構(gòu)層厚度因素下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化，并對雅杜高速公路路面結(jié)構(gòu)原有設(shè)計方案進行優(yōu)化。

1 工程概況

雅杜高速公路是連接喀麥隆中央大區(qū)和濱海大區(qū)路線的重要組成部分，在喀麥隆國家干線公路網(wǎng)中承擔(dān)極其重要的作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)雅杜高速沿線重載、超載現(xiàn)象嚴(yán)重，交通量統(tǒng)計結(jié)果顯示，大貨車占比69%，超載車輛占比65.3%，車輛軸載多以2軸車和3軸車為主，最大超載軸重甚至達到16.1 t，最大超載比例為89.8%?？溌】拷嗟纼蓚?cè)，受高溫氣候影響，瀝青路面表面溫度白天最高可達到60～70 ℃，其對路面的高溫穩(wěn)定性極為不利?？紤]到喀麥隆當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和重載交通情況，國內(nèi)外傳統(tǒng)的全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)往往不能解決重載車輛對路面產(chǎn)生的疲勞開裂問題，以及高溫條件產(chǎn)生的路面車轍變形問題[3-4]，為了減輕在車輛荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的塑性累積變形和疲勞開裂，本文選擇高模量瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)的面層和基層材料，形成全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)層，提高雅杜高速瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能。根據(jù)法國路面設(shè)計規(guī)范進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用Alize軟件進行驗算，初步擬定雅杜高速公路路面結(jié)構(gòu)形式為：6 cm BBME1面層+7 cm EME2上基層+7 cm EME2下基層+20 cm級配碎石底基層。

2 路面結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值

結(jié)合雅杜高速公路的實際工程情況，在土基上鋪筑有50 cm的紅土礫石作為PST路床。全柔性高模量瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的厚度、彈性模量及泊松比見表1。

表1 全柔性高模量瀝青路面各結(jié)構(gòu)層厚度、彈性模量及泊松比

根據(jù)瀝青混凝土材料的黏彈性特點，采用ABAQUS中的硬化蠕變模型，該模型將瀝青混凝土的變形看作時間和應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，通過非線性蠕變回歸系數(shù)模擬瀝青層變形，其表達式見(1)。

εcr=Aσmtn

(1)

式中：εcr為蠕變應(yīng)變速率；σ為蠕變應(yīng)力；t為蠕變加載作用時間；A、m、n為材料蠕變回歸系數(shù)。

得出各瀝青層材料蠕變回歸系數(shù)見表2。

表2 各瀝青層材料蠕變回歸系數(shù)

2.2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)有限元模型

有限元計算取一個適度大小的模型[5]，行車方向Z取長度6 m、路面橫斷面方向X取6 m，路基深度方向Y取5 m。邊界條件為底部固定、側(cè)向水平方向位移為0。對路面結(jié)構(gòu)各計算區(qū)塊采用8節(jié)點六面體實體單元劃分網(wǎng)格，瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。以雙輪組單軸載100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，每個輪壓強為0.7 MPa。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)控制指標(biāo)選取

1)水平剪應(yīng)力。路面結(jié)構(gòu)中過大的剪應(yīng)力會導(dǎo)致裂縫破壞和車轍變形[6]。裂縫的產(chǎn)生主要是路面結(jié)構(gòu)層豎向剪應(yīng)力和水平剪應(yīng)力引起的，失穩(wěn)型車轍形成的主要原因是水平剪應(yīng)力，本文以面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力為失穩(wěn)型車轍的計算指標(biāo)。

2)豎向壓應(yīng)力。過大的豎向壓應(yīng)力是引起路面車轍產(chǎn)生的另一個重要因素，當(dāng)車輛荷載較大時，受到過大壓應(yīng)力的路面發(fā)生豎向壓縮變形，經(jīng)過日積月累地塑性變形，最后形成流動型車轍，本文以面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力作為流動型車轍的計算指標(biāo)。

3)層底拉應(yīng)力。過大的層底拉應(yīng)力會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生疲勞開裂，因此，需要計算分析基層層底最大拉應(yīng)力的變化對路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的影響。

3 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)敏感性分析

3.1 車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響

全柔性瀝青路面最常見的路面病害為疲勞開裂和車轍永久變形，這2種病害的產(chǎn)生與力學(xué)響應(yīng)直接相關(guān)，受到路面結(jié)構(gòu)形式、材料力學(xué)性能，以及車輛荷載作用影響。重交通造成的瀝青路面損壞已經(jīng)非常普遍，研究不同車輛荷載作用下[7]，全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，分析全柔性高模量瀝青路面在抗車轍和抗疲勞方面的作用效果。車輛荷載采用雙輪組單軸載100，130，160，190和220 kN的5種工況，其他計算參數(shù)不變，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見表3。

表3 車輛荷載對全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響

由表3可知，瀝青面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力隨車輛荷載的增加而增大，車輛荷載每增加30 kN，瀝青面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力也隨之增加30.2%，輪載從100 kN增加至220 kN時，瀝青面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力增加了120%，下基層層底拉應(yīng)力增加了136%，使得下基層區(qū)域成為最不利區(qū)域。因此，超載、重載車輛成為路面產(chǎn)生病害的主要原因，在不斷提高瀝青路面自身性能的同時，避免車輛超載、重載對延長路面使用壽命意義重大。

3.2 材料模量對路面結(jié)構(gòu)的影響

瀝青混凝土是典型的熱流變材料，其力學(xué)性能參數(shù)受到環(huán)境影響較大，特別是受到溫度影響會發(fā)生模量變化。因此，對全柔性高模量瀝青路面面層和基層的彈性模量等力學(xué)參數(shù)要展開敏感性分析。面層直接接觸車輪且長期受到紫外線的照射，使瀝青混凝土面層更容易受到溫度影響產(chǎn)生模量變化，面層模量采用5 000，6 500，8 000，9 500和11 000 MPa 5種工況，其他計算參數(shù)不變，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見表4。

表4 面層模量對全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響

由表4可知，增加面層模量對面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力影響很小，這是由于瀝青混凝土的力學(xué)性能較為特殊，在多數(shù)情況下表現(xiàn)為黏彈性，瀝青混凝土受到荷載作用時首先發(fā)生彈性變形進而產(chǎn)生黏彈性變形，卸載后黏塑性變形因無法恢復(fù)而形成永久變形,因此面層模量與面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力不存在線性相關(guān)。當(dāng)面層模量從5 000 MPa增加至11 000 MPa，路面結(jié)構(gòu)中面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力減小了0.5%，而下基層層底最大拉應(yīng)力增加了0.06 kPa。因此，無論是從抗車轍變形還是從抗疲勞性能考慮，通過增加面層模量來改善全柔性高模量瀝青路面的使用性能并不合適，還需要分析基層模量對全柔性高模量瀝青路面的應(yīng)力影響。

基層是產(chǎn)生最大拉應(yīng)力的主要區(qū)域，而過大的拉應(yīng)力是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂、產(chǎn)生反射裂縫和水損壞的主要原因。因此，基層在保持較好承載力的同時也需要具有良好的抗疲勞性能?；鶎幽Ａ坎捎? 000，11 000，13 000，15 000和17 000 MPa 5種工況，其他計算參數(shù)不變，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見表5。

表5 基層模量對全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響

由表5可知，隨著基層模量的增加，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力也隨之減小，基層模量從9 000 MPa增加至17 000 MPa，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力減小了0.036 kPa，增加基層模量對于減小面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力效果一般?；鶎幽Ａ吭黾恿? 000 MPa，面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力增加了0.3 kPa。說明通過增加基層模量，雖然無法減小面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力，但是增加基層模量可以減小路面下部區(qū)域即基層和底基層的豎向壓應(yīng)力，可以有效降低下基層層底拉應(yīng)力值，當(dāng)基層模量達到15 000 MPa，下基層層底拉應(yīng)力減小速度最快，達到了6%。當(dāng)基層模量超過15 000 MPa時，下基層層底拉應(yīng)力減小速度開始變慢，說明基層模量達到15 000 MPa，路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞開裂性能較好，通過在瀝青碎石基層中摻入高模量劑提高基層動態(tài)模量具有可行性。隨著下基層層底拉應(yīng)力減小，基層發(fā)生疲勞開裂的概率也大大降低，延長了基層的使用壽命，進而延長了全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命。

3.3 結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)的影響

研究不同結(jié)構(gòu)層厚度變化對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，確定具備最佳力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)厚度。通過研究不同面層厚度下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，分析厚度在抗車轍和抗疲勞方面的效果。面層厚度采用5，6，7，8，9和10 cm 6種工況，其他計算參數(shù)不變，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見表6。

表6 面層厚度對全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響

由表6可知，增加面層的厚度使得面層內(nèi)水平剪應(yīng)力不斷減小，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力分別減少了10.78%，5.07%，3.96%，3.17%和2.96%。表明隨著面層厚度的增加，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力減小速度越來越小，在一定范圍內(nèi)增加面層厚度可以有效減少失穩(wěn)型車轍病害的發(fā)生。面層厚度從5 cm增加至10 cm，面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力減小了1.4%，表明通過增加面層厚度來減小面層內(nèi)豎向壓應(yīng)力峰值作用很小，減小面層內(nèi)豎向壓應(yīng)力的速度較慢，且減小效果差。當(dāng)面層厚度為6 cm時，面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力最小，為114.646 kPa。面層厚度從5 cm增加至10 cm，下基層層底最大拉應(yīng)力減小了4.16%。通過增加面層厚度，雖然能夠減小下基層層底拉應(yīng)力，但是減小速度較小，效果一般。無論是從路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果還是路面建設(shè)成本來看，采用增加面層厚度對增強路面結(jié)構(gòu)抗疲勞效果均不理想。從水平剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力和下基層層底拉應(yīng)力來看，建議面層最佳厚度取為6 cm。

增加面層厚度對減小路面車轍變形和疲勞開裂效果并不明顯，通過研究采用不同厚度的上基層對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)的響應(yīng)影響，研究上基層厚度增加對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提高的效果。上基層厚度采用6，7，8，9，10和11 cm 6種工況，其他計算參數(shù)不變，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見表7。

表7 基層厚度對全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響

由表7可知，上基層厚度從6 cm增加至11 cm，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力減少了13.8%。通過增加上基層厚度來提高路面面層的抗剪性能效果較好。上基層厚度從6 cm增加至11 cm，面層內(nèi)豎向壓應(yīng)力最大值減小了0.72%，增加上基層厚度對增強路面抵抗豎向壓應(yīng)力效果一般。上基層厚度從6 cm增加至9 cm，下基層層底拉應(yīng)力逐漸減小。而上基層厚度從10 cm增加至11 cm，下基層層層底拉應(yīng)力開始逐漸增大。說明在一定范圍內(nèi)增加上基層的厚度對于緩解下基層層底拉應(yīng)力具有一定效果，但是不能將下基層層底拉應(yīng)力變得足夠小，無法完全避免路面基層因為拉應(yīng)力過大產(chǎn)生疲勞開裂及自下而上的反射裂縫的產(chǎn)生。綜上所述，從水平剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力和下基層層底拉應(yīng)力3個控制指標(biāo)出發(fā)，上基層采用9 cm時，路面結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞效果，為了進一步研究車轍變形和疲勞開裂等路面病害，下文通過分析不同下基層厚度變化對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，以選取合適的下基層厚度。

基層作為直接接觸底基層的結(jié)構(gòu)層，過薄的下基層無法抵抗疲勞開裂，采用不同厚度的下基層分析路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，研究下基層厚度增加對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提高的效果。下基層厚度采用7，8，9和10 cm 4種工況，其他計算參數(shù)不變，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見表8。

表8 下基層厚度對全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響

由表8可知，下基層厚度從7 cm增加至10 cm，面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力從104.457 kPa減少到93.657 kPa，減少了10.35%。隨著下基層厚度的增加，下基層層底拉應(yīng)力也逐漸減小。下基層厚度從7 cm增加至10 cm，下基層層底拉應(yīng)力減小了2.2%。

通過分析不同下基層厚度的全柔性高模量瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)增加下基層厚度，對于減少路面產(chǎn)生失穩(wěn)型車轍作用效果較好，同時也可以降低下基層層底拉應(yīng)力，減少下基層疲勞開裂和反射裂縫的產(chǎn)生。因此，可以適當(dāng)增加下基層厚度，建議取10 cm。

4 試驗路使用效果驗證

根據(jù)全柔性高模量瀝青路面力學(xué)響應(yīng)影響結(jié)果，確定了雅杜高速公路最佳路面結(jié)構(gòu)方案。按照6 cm+9 cm+10 cm瀝青層厚度進行試驗路鋪筑，為驗證全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的合理性和路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在試驗路K0+170和K0+330 2個樁號下基層層底埋設(shè)壓力盒和光柵應(yīng)變傳感器，檢測全柔性高模量瀝青路面下基層的豎向壓應(yīng)力和下基層層底的水平拉應(yīng)變[8]。

根據(jù)相關(guān)文獻[9-10]可知，最大剪應(yīng)力與車轍變形隨著行車速度的增加而減小。雅杜高速設(shè)計車速為80 km/h，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)埋設(shè)的觀測元件數(shù)據(jù)采集靈敏度要求，通過現(xiàn)場多種行車速度條件下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，加載車輛以60 km/h的速度通過，各觀測元件采集的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN的加載車輛以60 km/h的速度勻速通過試驗路各檢測點，采集路面結(jié)構(gòu)層底水平拉應(yīng)變力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)，由各檢測點的壓力盒和光柵應(yīng)變傳感器得到的下基層層底水平拉應(yīng)變及豎向壓應(yīng)力實測值結(jié)果見表9。

表9 下基層層底水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力理論值與實測值

由表9可知，2個樁號的路面下基層層底均出現(xiàn)水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力，說明雅杜高速公路試驗路全柔性高模量瀝青面下基層層底處于受拉狀態(tài)，當(dāng)下基層層底拉應(yīng)變過大時，全柔性高模量瀝青路面下基層層底仍會產(chǎn)生疲勞開裂。同時，豎向壓應(yīng)力也是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流動型車轍的主要原因。實測的水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力與仿真模擬計算的理論值比較接近，實測值略大于理論值，水平拉應(yīng)變誤差范圍為17%～25%，豎向壓應(yīng)力的誤差范圍為9%～16%。這說明雅杜高速公路全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確和可靠，全柔性高模量瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)的取值較為合理。

5 結(jié)語

本研究利用ABAQUS有限元分析軟件，通過對全柔性高模量瀝青路面進行黏彈性分析，分析了不同車輛荷載作用、材料模量、結(jié)構(gòu)層厚度變化下，全柔性高模量瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)，優(yōu)化了雅杜高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并進行試驗路使用效果檢測，得出以下結(jié)論。

1)車輛荷載、瀝青層厚度和瀝青層模量的變化對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響大小排序為：車輛荷載、瀝青層厚度、瀝青層模量，按其影響大小排序確定各結(jié)構(gòu)層厚度，選擇采用6 cm+9 cm+10 cm的瀝青層組合厚度。

2)試驗路觀測結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下全柔性高模量瀝青路面下基層層底水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力的實測值與理論值誤差范圍較小，全柔性高模量瀝青路面力學(xué)響應(yīng)計算結(jié)果較為合理、可靠。