邳慧然，李正中，武巖峰

(1.天津市交通科學(xué)研究院 天津市 300074；2.天津高速公路集團(tuán)有限公司 天津市 300384)

高模量瀝青路面材料技術(shù)源于法國(guó)，其設(shè)計(jì)理念是通過提高瀝青混凝土的模量，以減小車輛荷載及高溫作用下瀝青混凝土的應(yīng)變及路面結(jié)構(gòu)的塑性變形，從而達(dá)到提高路面抗車轍能力、減薄路面厚度和提高路面耐久性的目的[1]。我國(guó)于2005年開始進(jìn)行高模量瀝青混凝土應(yīng)用技術(shù)的研究，總體上還處于起步和探索階段，在天津市尚未開展相關(guān)嘗試。結(jié)合天津地區(qū)普通公路的典型結(jié)構(gòu)，通過使用KENLAYER和ANSYS有限元軟件[2-3]，對(duì)不同瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析和車轍預(yù)估模擬，為天津市普通公路路面結(jié)構(gòu)層中高模量瀝青混凝土材料的大規(guī)模應(yīng)用提供了重要參考。

1 材料特性說明

路面結(jié)構(gòu)行為分析采用15℃抗壓回彈模量作為瀝青層材料的計(jì)算分析參數(shù)。AC-13型SBS改性瀝青混合料、AC-25型粗粒式瀝青混合料回彈模量，采用現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》給定范圍的中值作為計(jì)算分析參數(shù)。高模量瀝青混合料采用GTM旋轉(zhuǎn)剪切成型方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，并外摻0.5%PR-Module高模量改性劑，摻量以占礦料總質(zhì)量的百分比表示，其抗壓回彈模量試驗(yàn)值如表1所示[4]。與路基土、級(jí)配碎石相比，半剛性基層材料的非線性力學(xué)特征不明顯[5]，可認(rèn)為半剛性基層材料為理想彈性材料，其模量取值如表2所示[6]。

表1 瀝青混合料基本參數(shù)

表2 半剛性材料的模量

2 路面結(jié)構(gòu)行為分析

2.1 典型結(jié)構(gòu)說明

天津地區(qū)普通公路廣泛采用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一般為12cm瀝青面層+36cm半剛性基層，結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)上面層為4cm SBS改性瀝青AC-13瀝青混凝土，下面層為8cm AC-25型普通瀝青混凝土，上基層為18cm二灰碎石，下基層為18cm二灰碎石，如圖1所示。為了對(duì)比高模量瀝青混凝土與普通瀝青混凝土作為路面結(jié)構(gòu)層對(duì)路面性能的不同影響，將高模量瀝青混凝土材料設(shè)置在上下面層結(jié)構(gòu)位置，如圖2所示。

2.2 路面應(yīng)力計(jì)算圖示

瀝青路面面層應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)布置如圖3所示，雙圓均布豎向荷載P=700kPa，荷載圓半徑R=10.65cm，在XOY水平面內(nèi)，1號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為(-15.975，0)，2號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為(-13.31，0)，3號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為(-10.65，0)，4號(hào)點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)，單位均為cm。為了系統(tǒng)清晰地反映剪應(yīng)力在路面結(jié)構(gòu)中的分布，在相應(yīng)水平坐標(biāo)點(diǎn)下，沿向路基內(nèi)部方向，最大剪應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)間距在路面結(jié)構(gòu)中為1cm，對(duì)層間位置附近增加計(jì)算點(diǎn)密度，上承層層底和下臥層層頂均分別設(shè)置計(jì)算點(diǎn)，在基層范圍內(nèi)計(jì)算點(diǎn)間距適當(dāng)放大為2cm，同樣對(duì)層間位置附近增加計(jì)算點(diǎn)密度。

圖1 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合一

圖2 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合二

圖3 應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位圖

2.3 剪應(yīng)力分析

采用KENLAYER路面結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)圖1和圖2兩種結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力分別進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如表3和表4、圖4和圖5所示。

表3 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合一剪應(yīng)力分布

表4 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合二剪應(yīng)力分布

圖4 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合一剪應(yīng)力分布

圖5 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合二剪應(yīng)力分

從以上圖表對(duì)比可以看出，對(duì)于結(jié)構(gòu)組合一而言，瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力峰值主要集中于2～8cm范圍內(nèi)，基本上屬于上面層下部到下面層上部之間，上面層峰值約為222kPa，下面層峰值約為189kPa，且絕大多數(shù)剪應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在上下面層之間及下面層層頂位置處。對(duì)于結(jié)構(gòu)組合二而言，瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力峰值同樣集中在2～10cm范圍內(nèi)，基本上屬于上面層下部到下面層中部之間，上面層峰值約為212kPa，下面層峰值約為172kPa，且絕大多數(shù)剪應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在上下面層之間及下面層層頂位置處，剪應(yīng)力分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)一存在一定的區(qū)別，具體體現(xiàn)在：瀝青上下面層結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力峰值均有較為明顯的降低，上面層剪應(yīng)力峰值小于結(jié)構(gòu)一；面層結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力在上面層與下面層層間的突變點(diǎn)幾乎完全消失。因此可得出結(jié)論，采用高模量瀝青混凝土作為面層材料可顯著降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力，改善結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況。

2.4 疲勞壽命分析

采用KENLAYER路面結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)圖1和圖2兩種結(jié)構(gòu)水平方向力分布情況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如表5和表6、圖6和圖7所示，疲勞壽命預(yù)估如表7和表8所示。

表5 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合一水平方向應(yīng)力分布

注：壓應(yīng)力為正數(shù)，拉應(yīng)力為負(fù)數(shù)

根據(jù)以上圖表分析可得出，在相同的結(jié)構(gòu)深度處，使用了高模量瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)組合二的壓應(yīng)力比使用普通瀝青混凝土結(jié)構(gòu)組合一的壓應(yīng)力大[7]，拉應(yīng)力比普通瀝青混凝土結(jié)構(gòu)組合一的拉應(yīng)力小，水平應(yīng)力峰值有一定減小，但疲勞壽命作用次數(shù)明顯增多[8]，因此采用高模量瀝青混凝土材料可有效提高其疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)公路的使用壽命。

3 車轍預(yù)估分析

采用ANSYS有限元軟件分別對(duì)圖1和圖2兩種普通公路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，針對(duì)天津地區(qū)普通公路，在上面層與下面層有效溫度分別為36.9℃、36.6℃下加載140s，標(biāo)準(zhǔn)軸載以14m/s作用10000次，得到普通公路車轍仿真豎向變形云圖，如圖8所示。再利用數(shù)據(jù)處理軟件Origin對(duì)瀝青永久變形進(jìn)行回歸模擬，得到表9數(shù)據(jù)。

表6 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合二水平方向應(yīng)力分布

圖6 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合一水平方向應(yīng)力分布

圖7 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合二水平方向應(yīng)力分布

結(jié)構(gòu)位置水平應(yīng)力峰值/kPa疲勞壽命/次瀝青面層無拉應(yīng)力/半剛性基層-3132.102×108

表8 普通公路典型結(jié)構(gòu)組合二疲勞壽命預(yù)估

圖8 普通公路車轍仿真豎向變形云圖(左結(jié)構(gòu)組合一、右結(jié)構(gòu)組合二)

表9 蠕變變形擬合分析

對(duì)比以上云圖，可以看到荷載圓下的12cm厚普通公路結(jié)構(gòu)組合一瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移變形，最大隆起為0.21cm，絕對(duì)轍槽深度達(dá)到3.45cm，最大相對(duì)車轍達(dá)3.75cm，遠(yuǎn)超規(guī)范所容許的車轍深度，屬于非常嚴(yán)重的車轍破壞；而采用高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)組合二最大隆起高度僅為0.007cm，絕對(duì)車轍和最大相對(duì)車轍分別也只有0.15cm和0.157cm，變形明顯較小，抗車轍變形效果明顯。根據(jù)表9，普通公路結(jié)構(gòu)組合一經(jīng)過38萬次作用就產(chǎn)生了嚴(yán)重車轍，而使用高模量瀝青混凝土作為上下面層材料的結(jié)構(gòu)組合二達(dá)到370多萬次輪載作用才需要維修，抗車轍性能優(yōu)異，在其設(shè)計(jì)年限內(nèi)基本不會(huì)出現(xiàn)車轍病害[9]。因此，采用高模量瀝青混凝土材料可以顯著提高路面的抗車轍能力，使瀝青結(jié)構(gòu)層的位移變形明顯減小，從而大幅延長(zhǎng)路面的使用壽命，保證在設(shè)計(jì)年限內(nèi)基本不需要考慮車轍病害的問題[10]。

4 結(jié)論

采用高模量瀝青混凝土作為瀝青路面上下面層材料，可以顯著降低結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力峰值，減少層間剪應(yīng)力的突變點(diǎn)，有效降低剪應(yīng)力峰值的位置；可以在一定程度上降低拉應(yīng)力峰值，改善結(jié)構(gòu)層應(yīng)力分布，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有一定的效果；可以顯著增強(qiáng)路面抗車轍能力，減小結(jié)構(gòu)層變形，使其在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)基本不需要考慮車轍病害的問題，從而可以達(dá)到延長(zhǎng)公路使用壽命的效果。