肖杰

(常德市交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 湖南 常德 415000)

隨著城市交通流量的逐年增加及道路設(shè)計(jì)年限的臨近，部分城市主要干道出現(xiàn)較嚴(yán)重的車轍、開裂、沉降、擁包等病害，給行車舒適性及安全帶來嚴(yán)重影響，老舊路面結(jié)構(gòu)改造成為當(dāng)今熱點(diǎn)課題。針對瀝青路面結(jié)構(gòu)，彭宏圖通過將3種混合式基層路面結(jié)構(gòu)和半剛性基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞特性分析，得出混合式基層瀝青路面更適合大交通量高速公路的需求；何創(chuàng)等采用ABAQUS軟件模擬計(jì)算重載交通條件下軸重、基層模量及厚度對半剛性基層瀝青路面面層力學(xué)響應(yīng)的影響，得到對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響大小為軸載>基層厚度>基層模量；王海燕等研究重載交通作用下兩種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，得到不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)的分布特征及變化規(guī)律。上述研究大多分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的指標(biāo)影響，對城市道路瀝青路面結(jié)構(gòu)比選的研究較為欠缺?；诖?，該文以某快速干線瀝青路面改造工程為研究背景，運(yùn)用ABAQUS軟件建立路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，針對4種瀝青路面結(jié)構(gòu)展開力學(xué)性能對比分析，并結(jié)合規(guī)范預(yù)估路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能，為城市道路路面結(jié)構(gòu)提升改造提供參考。

1 工程背景

某快速干線全長約9.5 km，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，原路面結(jié)構(gòu)為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石+20 cm級配碎石+20 cm級配碎石，總厚度為68 cm。由于該路段交通流量過大，路面產(chǎn)生大量龜裂、車轍、坑槽、沉降等病害，給道路運(yùn)營安全帶來嚴(yán)重影響，需進(jìn)行提升改造?？紤]到原路面結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，已無法滿足現(xiàn)狀交通需求，提出3種路面結(jié)構(gòu)改造比選方案：

(1) 結(jié)構(gòu)A為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+16 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 4%水穩(wěn)碎石。

(2) 結(jié)構(gòu)B為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石+20 cm 5%水穩(wěn)碎石+20 cm 4%水穩(wěn)碎石。

(3) 結(jié)構(gòu)C為4 cm細(xì)粒式瀝青砼+6 cm中粒式瀝青砼+8 cm粗粒式瀝青砼+16 cm級配碎石+17 cm 5%水穩(wěn)碎石+17 cm 4%水穩(wěn)碎石。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

運(yùn)用ABAQUS軟件建立路面結(jié)構(gòu)三維模型，模型尺寸為5 m×5 m×6 m(長×寬×深)，單元類型為三維六面體八節(jié)點(diǎn)單元，各結(jié)構(gòu)層間完全連續(xù)。計(jì)算模型中假設(shè)X向?yàn)樾熊嚪较?、Y向?yàn)槁贩较?、Z向?yàn)樯疃确较颉＿吔鐥l件為X、Y方向均軸向約束，頂面完全自由，底部固定約束。路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1。

2.2 荷載計(jì)算參數(shù)

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，荷載計(jì)算圖示分為4種，考慮到現(xiàn)代重載車輛行駛時輪胎的接地面積和輪壓會隨著軸載增加而逐漸增大，但輪中心距不變，選取圖2所示荷載作用圖式。為簡化計(jì)算，將車輪荷載簡化為均布矩形荷載，擬定4種軸載進(jìn)行計(jì)算，軸載參數(shù)見表1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2 荷載作用圖示

表1 軸載計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 力學(xué)性能對比分析

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立4種瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，模擬荷載布置為雙輪矩形均布豎向荷載，計(jì)算點(diǎn)選取車輪荷載正下方中心，對不同軸載作用下各瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)展開對比分析。

3.1 路表彎沉

不同軸載作用下4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉見圖3。

圖3 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉

由圖3可知：隨著軸載的增加，各路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉均增大；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原路面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的最大彎沉分別為0.661、0.492、0.48、0.54 mm，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的最大彎沉分別為1.881、1.377、1.345、1.512 mm，結(jié)構(gòu)A、B、C的彎沉增幅均小于原路面結(jié)構(gòu)，超載對原結(jié)構(gòu)路面彎沉的影響較明顯；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉大小為原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)C>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)B，原因是原結(jié)構(gòu)底基層采用模量較小的級配碎石，而結(jié)構(gòu)A、B、C底基層均采用模量較大的水穩(wěn)碎石，故原結(jié)構(gòu)整體承載能力最差。

3.2 瀝青層最大拉應(yīng)力

不同軸載作用下4種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底最大拉應(yīng)力見圖4。

圖4 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)力

由圖4可知：隨著軸載的增加，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)力均呈增大趨勢；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的最大拉應(yīng)力分別為0.11、0.102、0.082、0.128 MPa，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分別為0.318、0.287、0.230、0.378 MPa，結(jié)構(gòu)C的最大拉應(yīng)力增幅比其他路面結(jié)構(gòu)大，超載情況下結(jié)構(gòu)C路面容易產(chǎn)生開裂損壞；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力大小為結(jié)構(gòu)C>原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)B，結(jié)構(gòu)B的抗開裂性能較好。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，是防災(zāi)、減災(zāi)工作重要的環(huán)節(jié)[1]，其核心內(nèi)容為確定評價指標(biāo)權(quán)重值。目前權(quán)重確定方法很多，大致可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法[1]。常見的主觀賦權(quán)法有層次分析法[3-5]、專家調(diào)查法[6]、最小平方法[7]、環(huán)比評分法[8]等。主觀賦權(quán)法運(yùn)用時間長、較成熟，但美中不足的是結(jié)果具有明顯的主觀性、隨意性和缺乏客觀判斷的局限性。常見的客觀賦權(quán)法有確定性系數(shù)[9]、熵值法[10]、變異系數(shù)法[11-12]、多目標(biāo)規(guī)劃法[13]等。客觀賦權(quán)法建立在數(shù)學(xué)理論之上，但前提是有充足的數(shù)據(jù)作為支撐，推廣性和融入性較差，難以體現(xiàn)決策者對不同賦權(quán)因子的重視程度。

3.3 瀝青層最大拉應(yīng)變

不同軸載作用下4種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底最大拉應(yīng)變見圖5。

圖5 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變

由圖5可知：隨著軸載的增加，4種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變均呈增大趨勢；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原路面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的最大拉應(yīng)變分別為159.6、133.6、126.3、179.2 με，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)變分別為456.9、378.1、353.6、511.8 με，結(jié)構(gòu)A、B和原結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變增幅均小于路面結(jié)構(gòu)C，超載對結(jié)構(gòu)C瀝青層最大拉應(yīng)變的影響明顯，其路面抗疲勞損傷性能較差；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大拉應(yīng)變大小為結(jié)構(gòu)C>原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)B，結(jié)構(gòu)B的抗疲勞損傷性能較好。

3.4 土基頂部壓應(yīng)變

不同軸載作用下4種路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變見圖6。

圖6 不同軸載作用下各路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變

由圖6可知：隨著軸載的增加，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變均呈增大趨勢；標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下原結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)A、B、C的土基頂部壓應(yīng)變分別為433.1、222.3、226.9、251.9 με，超載300%情況下各路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變分別為1 222.9、627.4、635.3、725.3 με，原結(jié)構(gòu)土基頂部壓應(yīng)變增幅比其他路面結(jié)構(gòu)大，原結(jié)構(gòu)路面在超載情況下容易產(chǎn)生永久變形損傷，使路面產(chǎn)生車轍、沉降等病害；相同軸載作用下，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的土基頂部壓應(yīng)變大小為原結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)C>結(jié)構(gòu)B>結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)A、B路面土基頂部的壓應(yīng)變較小，其永久變形損傷程度較小，永久變形損傷壽命較長。

4 路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比分析

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，彎沉與疲勞壽命的關(guān)系如下：

(1)

式中：ld為彎沉值；Ne為車道累計(jì)當(dāng)量軸次；Ac、As、Ab分別為路面類型系數(shù)、面層類型系數(shù)和等級系數(shù)。

Ne=(600/ld)5

(2)

按式(2)計(jì)算，4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命見表3。

表3 各瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命

由表3可知：4種瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大小為結(jié)構(gòu)B>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)C>原結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)B的疲勞壽命遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)，其疲勞性能較優(yōu)。

5 結(jié)論

以某快速干線瀝青路面改造工程為研究背景，借助ABAQUS有限元軟件對原路面結(jié)構(gòu)和3種路面改造結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能對比分析，并結(jié)合規(guī)范預(yù)估路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著軸載的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎

沉、瀝青層最大拉應(yīng)力、瀝青層最大拉應(yīng)力及土基頂部壓應(yīng)變均呈增大趨勢。

(2) 水穩(wěn)碎石底基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的承載能力相較于級配碎石底基層更優(yōu)。

(3) 4種瀝青路面結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)B(瀝青穩(wěn)定碎石上基層+水穩(wěn)碎石下基層和底基層)的承載能力、抗開裂能力、抗變形能力及抗疲勞能力均較優(yōu)，瀝青路面結(jié)構(gòu)改造方案建議選用結(jié)構(gòu)B。