羅余英

(湖南常德路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 常德 415000)

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，大多數(shù)高速公路車輛重載超載現(xiàn)象極為嚴(yán)重，這種交通現(xiàn)狀極易導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)早期損壞，路面永久變形和疲勞開裂則成為瀝青路面的主要病害類型［1，2］。水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面是我國高速公路最主要的路面結(jié)構(gòu)型式?；诎雱傂曰鶎雍偷谆鶎拥哪Ａ枯^高，路面永久變形主要是瀝青混合料面層產(chǎn)生的，因此，適當(dāng)提高瀝青混合料的回彈模量，以增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的整體抗變形能力已成為國內(nèi)學(xué)者研究的重要課題［3］。

高模量瀝青混凝土(HMAC)在國外特別是法國開展過廣泛的技術(shù)研究，并已推廣應(yīng)用。高模量瀝青混凝土能夠提高路面的整體剛度，改善路面的高溫穩(wěn)定性和耐疲勞性能［4］。本文選用PR－Module外摻劑制備高模量瀝青混合料，并利用ANSYS 有限元軟件建立瀝青路面結(jié)構(gòu)模型計(jì)算路面永久變形，從而對(duì)比分析普通瀝青路面和高模量瀝青路面的抗永久變形能力，為瀝青路面永久變形的防治提供借鑒。

1 路面結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 瀝青面層

瀝青材料選用SK－70#瀝青，集料采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r。經(jīng)測(cè)試，瀝青和集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。同時(shí)，采用法國高模量添加劑PR－Module 制備高模量瀝青混合料。

瀝青混合料級(jí)配共選用了3 種，分別是文獻(xiàn)中的細(xì)粒式AC－13、中粒式 AC－20、粗粒式 AC－25。級(jí)配組成按規(guī)范取其中值如圖1所示。通過馬歇爾試驗(yàn)確定油石比分別為4.7、4.4、3.9。高模量瀝青混合料外摻劑PR－Module 的摻量為0.7%。文獻(xiàn)研究表明，瀝青路面永久變形主要發(fā)生在中面層和下面層，因此本文為了充分發(fā)揮高模量瀝青混合料的抗變形性能，僅制備了AC－20 和AC－25 兩種級(jí)配，油石比分別為4.3、4.2。

通過單軸壓縮試驗(yàn)首先求出材料20 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度P，逐級(jí)加載后繪制平滑曲線，根據(jù)修正后的坐標(biāo)軸，讀取0.5P 對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)q5和ΔL5，用之計(jì)算瀝青混合料的靜態(tài)回彈模量。計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1 瀝青混合料級(jí)配組成

表1 20 ℃回彈模量測(cè)試結(jié)果

由表1可知，摻加PR－Module 改性劑的高模量瀝青混合料比普通瀝青混合料的回彈模量值要大，約提高了37%～44%。同時(shí)，根據(jù)我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50－2006)材料設(shè)計(jì)參數(shù)推薦結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定瀝青面層材料在20 ℃時(shí)的泊松比為 0.3［5］。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石基層

本文采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配，充分發(fā)揮其優(yōu)越的抗疲勞性能和抗收縮性能。水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石靜態(tài)模量試驗(yàn)材料參數(shù)采用表2和表3。試件尺寸為150 mm ×150 mm 的圓柱體試模。成型方法采用靜壓成型。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)90 d。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

計(jì)算表4所列的4 個(gè)試件靜態(tài)模量變異系數(shù)分別為:10.4%、14.2%、12.3%和12.4%。以3 倍標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行異常數(shù)值的剔除后，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的平均靜態(tài)回彈模量值為1 423 MPa。路面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)基層模量取整為1 400 MPa，底基層模量取整為1 300 MPa，泊松比均為0.25。

1.3 路基

根據(jù)路基土的土類和氣候區(qū)以及擬定的路基土的平均稠度，參考規(guī)定估計(jì)路基回彈模量值。路基回彈模量值確定為40 MPa，泊松比為0.35。

表2 水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成

表3 回彈模量試驗(yàn)材料參數(shù)

表4 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石靜態(tài)回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

2 路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)中面層厚度的不同，瀝青路面結(jié)構(gòu)共設(shè)計(jì)了5 種情境，其路面結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)層厚度如表5所示。

表5 瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度

2.2 路面結(jié)構(gòu)建模

本文采用ANSYS 有限元建立瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。為了簡化計(jì)算，節(jié)約時(shí)間，瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型取1/4 圓柱體，其半徑R 為1.65 m，高度H 為 1.5 m。

我國現(xiàn)行瀝青路面的荷載模式為半徑10.65 cm 的雙圓均布荷載，輪胎壓力為0.7 MPa。本次模型采用單圓荷載的當(dāng)量圓直徑D 按式(1)計(jì)算。假定圓柱體底面完全約束、垂直周圍面無變形［6，7］。

式中:P=(荷載)/4，kN;p=接地壓力，MPa。

根據(jù) Groenendijk，Ronald Blab 等人的研究［8］，瀝青路面結(jié)構(gòu)僅考慮豎向接觸應(yīng)力，不考慮水平向接觸應(yīng)力。輪胎與路面接觸形式為圓形，且均布荷載。本文以我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN 為基準(zhǔn)，重載作用的工況分別取基準(zhǔn)軸載的100%，200%，300%等3 種，依據(jù)式(2)計(jì)算不同軸載的接地壓力［9］。

式中:Z 為輪胎平均接地壓力，MPa;X 為輪胎充氣壓力，MPa;Y 為荷載，kN。

按式(1)計(jì)算荷載作用半徑。計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 輪胎接地壓力及荷載作用半徑計(jì)算結(jié)果

瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型水平分圈第1 圈荷載作用半徑按表6取值即14、16、17 cm，后面分圈的半徑無論接地壓力及荷載作用半徑如何變化，假定相同，從 2 到 16 圈依次為 25、35、45、55、65、75、85、95、105、115、125、135、145、155、165 cm。瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型豎向總共劃分25 層。上面層4 cm劃分4 層，每厘米1 層;中面層劃分6 層，如表7所示。下面層8 cm 劃分8 層;基層36 cm 平均劃分3層;底基層32 cm 平均劃分2 層;最后路基劃分2層，一層為32 cm，另一層視情況調(diào)整，總高度控制為150 cm。瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

表7 有限元模型豎向分層值

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 路面結(jié)構(gòu)有限元分析過程

采用ANSYS 有限元軟件計(jì)算路面結(jié)構(gòu)豎向變形，從而分析路面面層彈性模量的變化對(duì)減小路面永久變形的影響。本文重點(diǎn)研究20 ℃以下，假定路面結(jié)構(gòu)為彈性體，計(jì)算路面豎向最大變形［10］。

假定路面結(jié)構(gòu)所處溫度為20 ℃，通過改變面層材料進(jìn)而改變路面面層的彈性模量，以降低路面結(jié)構(gòu)的變形。依據(jù)荷載作用大小不同，共設(shè)計(jì)了3 種情境，如表6所示;依據(jù)面層厚度不同，共設(shè)計(jì)了A、B、C、D 和 E 5 種情境，如表7所示;依據(jù)面層材料不同，共設(shè)計(jì)了4 種情境，如表8所示，因此，瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元分析的設(shè)計(jì)情境為60 種，采用有限元軟件計(jì)算其永久變形并進(jìn)行分析。

表8 面層計(jì)算情境

2.4 路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

2.4.1 路面結(jié)構(gòu)豎向永久變形云圖

例舉1 －Aa 路面結(jié)構(gòu)豎向永久變形云圖，如圖3所示。其它路面結(jié)構(gòu)豎向永久變形云圖相似，不再列出。

圖3 1－Aa路面結(jié)構(gòu)豎向永久變形圖

2.4.2 路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如表9，a、b、c 系列路面結(jié)構(gòu)永久變形圖分別見圖4、圖5、圖6。

表9 路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果

圖4 a系列路面結(jié)構(gòu)永久變形圖

圖5 b系列路面結(jié)構(gòu)永久變形圖

圖6 c系列路面結(jié)構(gòu)永久變形圖

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

2.5.1 中面層厚度影響

由圖4～圖6可知，在荷載作用相同時(shí)，隨著中面層厚度的增加，路面結(jié)構(gòu)的永久變形均呈減小趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)軸載 100 kN 時(shí)，1、2、3、4 路面結(jié)構(gòu)中面層厚度每增加1 cm，永久變形降低值分別為0.2、0.35、0.125、0.25 mm。重載200 kN 和300 kN 時(shí)，1、2、3、4 路面結(jié)構(gòu)永久變形降低值分別為 0.4、0.7、0.275、0.525，0.6、0.95、0.4、0.775 mm。由此可見單純?cè)黾用鎸雍穸葘?duì)于普通瀝青混合料提高路面的抗永久變形能力的效果并不明顯，相反對(duì)于高模量瀝青混凝土路面降低永久變形效果有一定的增強(qiáng)。

高模量瀝青混合料隨著中面層厚度的增加抵抗永久變形的能力比普通瀝青混合料有所增加。荷載從100～300 kN，高模量瀝青混合料隨中面層單位厚度的增加比普通瀝青混合料抵抗永久變形能提高1.2～2 倍。

2.5.2 荷載作用的影響

荷載是路面永久變形的重要因素。不同軸載對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)的平均永久變形大小見表10所示。

表10 不同軸載不同路面結(jié)構(gòu)的平均永久變形 mm

由表10可知，隨著荷載作用的增大，路面接地壓力也隨之增大，路面結(jié)構(gòu)的永久變形有明顯的增加。特別是重載作用下，路面的永久變形已達(dá)40～60 mm，道路表面的平整度已嚴(yán)重惡化，嚴(yán)重影響了行車的舒適性和安全性，必須對(duì)路面進(jìn)行重修或改建。因此，控制重載超載車輛對(duì)降低路面永久變形具有非常重要的作用。

2.5.3 面層材料的影響

由表9和表10可知，摻加 PR－Module 外摻劑的高模量瀝青混合料能明顯降低路面的永久變形。中面層使用高模量瀝青混合料比下面層使用對(duì)降低路面永久變形的效果要好。隨著荷載作用的增大，高模量瀝青混合料抵抗永久變形的效果更為明顯。重載作用使用高模量瀝青混合料比標(biāo)準(zhǔn)軸載作用使用抵抗永久變形的能力提高3 mm 左右。

3 結(jié)論

1)摻加0.7%的PR－Module 改性劑的高模量瀝青混合料可明顯提高其回彈模量值。

2)考慮荷載大小、接地壓力及荷載作用面積的變化，通過ANSYS 有限元建模分析，得出單純?cè)黾又忻鎸拥暮穸葘?duì)提高路面抵抗永久變形性能的效果并不顯著;中面層采用高模量瀝青混合料對(duì)降低路面永久變形的效果相對(duì)較好;荷載作用特別是重載超載對(duì)路面永久變形影響較大，高模量瀝青混合料對(duì)降低重載超載作用下路面永久變形效果更為明顯。

3)雖然ANSYS 有限元軟件建模分析時(shí)作了部分假定，可能會(huì)計(jì)算結(jié)果與路面實(shí)際受力情況略有差異，但其分析結(jié)果仍可為改善路面永久變形提供參考。

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