彭勇均， 熊春龍

(1.佛山市交通運(yùn)輸事務(wù)中心， 廣東 佛山 528000； 2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司， 廣州 510640)

交通運(yùn)輸部《2018年全國(guó)收費(fèi)公路統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截止到2018年末，我國(guó)公路里程達(dá)到484.65萬(wàn)公里，其中高速公路14.26萬(wàn)公里[1]。我國(guó)國(guó)省道公路的比例非常高，且國(guó)省道公路的在役服務(wù)時(shí)間大部分超過(guò)5年，路面處于養(yǎng)護(hù)維修階段。

國(guó)省道公路相對(duì)于高速公路而言，國(guó)省道公路路面養(yǎng)護(hù)體量巨大，需要大量的碎石和瀝青材料，但我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)資源的配置通常向高速公路傾斜，國(guó)省道路面養(yǎng)護(hù)維修面臨巨大的資源缺口[2-3]。另外，國(guó)省道公路路面因?yàn)榫€性條件不良和路面空間受限等原因，使路面養(yǎng)護(hù)施工存在較多困難，容易導(dǎo)致國(guó)省道路面養(yǎng)護(hù)施工質(zhì)量無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，瀝青路面出現(xiàn)反復(fù)破壞。開(kāi)展國(guó)省道公路路面資源的集中利用及瀝青路面結(jié)構(gòu)的工廠化批量生產(chǎn)，是解決國(guó)省道路面養(yǎng)護(hù)資源匱乏和養(yǎng)護(hù)施工質(zhì)量不良等問(wèn)題的有效方法。

在國(guó)內(nèi)外對(duì)裝配路面研究成果的基礎(chǔ)上[4-6]，針對(duì)國(guó)省道公路的路面養(yǎng)護(hù)，提出預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)安裝解決了熱拌瀝青混合料施工時(shí)間短的問(wèn)題；可用于替換現(xiàn)有瀝青面層，實(shí)現(xiàn)快速養(yǎng)護(hù)，循環(huán)利用；工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化制作便于控制產(chǎn)品質(zhì)量；可縮短路面養(yǎng)護(hù)交通封閉的時(shí)間。深入研究裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇，將為國(guó)省道路面養(yǎng)護(hù)中裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)理論支撐。

1 有限元參數(shù)設(shè)置

1.1 國(guó)省道公路預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)

典型國(guó)省道公路路面結(jié)構(gòu)包括路基，粒料或穩(wěn)定粒料基層和上覆瀝青面層或水泥混凝土面層。重點(diǎn)研究典型國(guó)省道瀝青路面結(jié)構(gòu)，提出預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)：國(guó)省道原路面結(jié)構(gòu)路基+原路面結(jié)構(gòu)基層+預(yù)制瀝青面層。預(yù)制的瀝青面層在玻璃纖維增強(qiáng)剛性基板GFRP基板(Glass fiber reinforced plastic)[7-10]上分層攤鋪施工，待溫度降低至50 ℃以下，被切割成一定平面尺寸的預(yù)制單元塊；預(yù)制單元塊被運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，可在已處治完病害和施工完同步碎石封層后的原基層上直接拼裝；瀝青面層預(yù)制塊的縱橫向接縫采用乳化瀝青灌縫后，即可開(kāi)放交通，完成瀝青面層的養(yǎng)護(hù)施工。國(guó)省道公路預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)省道預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)

國(guó)省道預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)層對(duì)應(yīng)的彈性模量，泊松比和厚度等參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取初始值，見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)層厚度

1.2 荷載參數(shù)設(shè)置

國(guó)省道公路貨車占比大[11-12]?！皷|風(fēng)”普通重型貨車，空載120 KN，滿載300 KN，該種車輛后軸軸載滿載的時(shí)候?yàn)?20 KN，前輪軸載為60 KN。選取“東風(fēng)”普通重型貨車的前輪單輪作為荷載，并采用矩形荷載形式，作用面積為0.17 m×0.25 m。

1.3 邊界和層間接觸條件設(shè)置

限制垂直邊界方向的位移，土基底面固結(jié)，考慮到基層和路基的接觸面距荷載較遠(yuǎn)，力學(xué)響應(yīng)影響相對(duì)很小，因此為節(jié)約內(nèi)存和簡(jiǎn)化計(jì)算，可將基層和路基之間設(shè)置為完全連續(xù)狀態(tài)。瀝青面層和GFRP基板的接觸關(guān)系設(shè)為法向采用硬接觸，接觸后不允許分離，切向方向選用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5[13]。GFRP基板和基層的接觸關(guān)系設(shè)為與面層GFRP基板之間的接觸條件相同。采用六面體實(shí)體單元C3D8R[14-15]。

1.4 預(yù)制裝配塊間接觸條件設(shè)置

典型的瀝青路面面層是連續(xù)的，而裝配式瀝青路面的裝配塊之間是相互拼接粘連在一起的，預(yù)制裝配塊的拼接方式見(jiàn)圖2。在有限元建模的時(shí)候，應(yīng)充分考慮預(yù)制裝配塊之間的接觸關(guān)系，中各預(yù)制裝配塊之間法向采用“硬接觸”，水平方向接觸采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5。

圖2 預(yù)制裝配塊拼接示意圖

2 預(yù)制裝配塊平面尺寸分析

預(yù)制瀝青路面由預(yù)制塊裝配而成，預(yù)制塊的大小會(huì)影響預(yù)制路面的鋪裝施工。預(yù)制塊平面尺寸越小，施工工序越多，過(guò)多的接縫處理還會(huì)降低路面平整度。預(yù)制塊平面尺寸越大，其質(zhì)量越大，進(jìn)而增加在鋪裝過(guò)程中的施工難度。以寬度為8 m的國(guó)省道公路為對(duì)象進(jìn)行研究，為了方便裝配，減少預(yù)制模具等因素，對(duì)比研究了5 m×1 m，5 m×2 m，5 m×4 m三種平面尺寸。

通過(guò)有限元模擬分析裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特性，得到5 m×1 m，5 m×2 m，5 m×4 m三種裝配塊平面尺寸的裝配式瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)輸出。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同裝配塊平面尺寸的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)構(gòu)匯總

分析表2結(jié)果可知，裝配式瀝青路面裝配塊的尺寸變化主要影響瀝青面層底部最大拉應(yīng)力和瀝青表面彎沉值。瀝青面層底部最大拉應(yīng)力隨著預(yù)制裝配塊平面尺寸增大的變化幅度最大，2 m×5 m和4 m×5 m裝配板的面層底部最大拉應(yīng)力相對(duì)1 m×5 m裝配板的變化幅度分別達(dá)到18.9%和34.4%。2 m×5 m和4 m×5 m裝配板的表面彎沉值相對(duì)1 m×5 m裝配板變化幅度分別達(dá)到9.7%和33.5%。而瀝青面層底部最大剪應(yīng)力和土基頂面壓應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化。以瀝青面層底部最大拉應(yīng)力和表面彎沉值作為裝配塊平面尺寸的控制因素時(shí)，裝配塊的最佳平面尺寸為5 m×1 m。

3 裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

在瀝青面層預(yù)制裝配塊的平面尺寸參數(shù)確定之后，研究了國(guó)省道公路裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要參數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，以指導(dǎo)國(guó)省道公路裝配式瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取瀝青面層厚度、GFRP基板厚度、基層厚度、瀝青面層模量和GFRP基板模量五個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行五因素四水平L16(45) 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)國(guó)省道路面典型結(jié)構(gòu)的已有研究[16-17]，確定瀝青面厚度取值范圍為10～16 cm，基層厚度取值范圍為35～65 cm；考慮到經(jīng)濟(jì)原因和GFRP基板優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)，GFRP基板厚度一般在2～5 mm左右；瀝青面層模量按經(jīng)驗(yàn)范圍1 200～1 600 MPa取值，GFRP基板模量按40～70 GPa取值，預(yù)制裝配塊平面尺寸為5 m×1 m。L16(45)正交試驗(yàn)因素和水平表見(jiàn)表3。

表3 L16(45) 正交試驗(yàn)因素和水平表

據(jù)上表，具體設(shè)計(jì)16個(gè)正交組合試驗(yàn)方案。正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表4所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)16組試驗(yàn)方案的計(jì)算結(jié)果，采用極差分析法，分析各個(gè)因素對(duì)國(guó)省道公路預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響大小的排序，見(jiàn)圖3。

圖3 不同力學(xué)性能對(duì)應(yīng)的各因素極差序列

由圖3可知，對(duì)瀝青面層表面彎沉值而言，各因素的極差排序從大到小為基層厚度>GFRP基板厚度>GFRP基板模量>瀝青面層模量>瀝青面層厚。對(duì)于瀝青面層底部最大拉應(yīng)力，各因素的極差排序從大到小為瀝青面層模量>基層厚度>GFRP基板厚度>瀝青面層厚度>GFRP基板模量。對(duì)于瀝青面層底部最大剪應(yīng)力，各因素的極差排序從大到小為瀝青面層厚度>瀝青面層模量> GFRP基板厚度> GFRP基板模量>基層厚度。而對(duì)于路基頂面壓應(yīng)力，各因素的極差排序從大到小為基層厚度>GFRP基板厚度> GFRP基板模量>瀝青面層模量>瀝青面層厚度。

為路基裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供具體參數(shù)選擇依據(jù)，進(jìn)一步明確裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)隨各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 裝配式瀝青路面力學(xué)性能隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律

從圖4(a)可以看出，瀝青面層表面彎沉值與基層厚度、面層厚度及GFRP基板模量之間均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，其中基層厚度的影響最為顯著，路表彎沉值隨面層厚度的變化幅度非常小。對(duì)于裝配式瀝青路面，增加基層厚度和基板模量，可以明顯的提高路面整體承載能力。

從圖4(b)可以看出，瀝青面層底部最大拉應(yīng)力與基層厚度、面層模量及基板模量之間具有較明顯相關(guān)性，其中與面層模量表現(xiàn)為正相關(guān)，與基層厚度和基板模量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。對(duì)于裝配式瀝青路面，增加基層厚度和基板模量或減小面層模量可以明顯減小瀝青面層底部最大拉應(yīng)力值。另外，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)面層厚度超過(guò)12 cm后，面層厚度增大，瀝青面層底部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)降低。

從圖4(c)可以看出，瀝青面層底部最大剪應(yīng)力僅與面層模量和基板模量之間具有明顯相關(guān)性，對(duì)于裝配式瀝青路面，當(dāng)面層模量降低或基板模量增大時(shí)，瀝青面層底部最大剪應(yīng)力將明顯減小。同樣，發(fā)現(xiàn)當(dāng)面層厚度大于12 cm后，瀝青面層底部最大剪應(yīng)力將隨面層厚度增大而顯著減小。

從圖4(d)可以看出，路基頂面壓應(yīng)力與面層厚度、基層厚度及基板模量均呈負(fù)相關(guān)，但面層厚度的變化對(duì)路基頂面壓應(yīng)力影響不大。裝配式瀝青路面路基頂面壓應(yīng)力的減小，可通過(guò)增加基層厚度或增加基板模量實(shí)現(xiàn)。

4 預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)防反射裂縫性能研究

瀝青路面病害以橫向和縱向裂縫為主要病害，橫向裂縫占39%，縱向裂縫占21%[18]。裝配式瀝青路面設(shè)計(jì)必須考慮到基層開(kāi)裂反射到裝配式面層上來(lái)的問(wèn)題，為此，采用ABAQUS對(duì)基層裂縫進(jìn)行模擬，進(jìn)行了基層帶裂縫裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

裝配式瀝青路面基層帶裂縫路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的有限元模型設(shè)置如下圖5所示?；鶎又胁课恢迷O(shè)置豎向裂縫，裂縫寬度分別取值0(無(wú)裂縫)、5、10、15和20 mm?；鶎舆x擇為35 cm，瀝青面層厚度為10 cm，裝配式瀝青面尺寸為5 m×1 m。

圖5 基層帶裂縫裝配式瀝青路面力學(xué)性能有限元模型

基層反射裂縫與瀝青面層底面橫向拉應(yīng)力直接相關(guān)，選取瀝青底面橫向拉應(yīng)力作為研究對(duì)象。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，得到不同裂縫寬度下，裝配式瀝青路面面層底部橫向拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表5。為了驗(yàn)證裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)對(duì)基層反射裂縫的抵抗效果，同時(shí)分析了普通瀝青路面結(jié)構(gòu)基層帶裂縫狀況下瀝青路面結(jié)構(gòu)面層底部橫向拉應(yīng)力結(jié)果，其與裝配式路面的結(jié)果比較如圖6。

表5 裝配式瀝青路面基層帶裂縫工作力學(xué)響應(yīng)

圖6 基層帶裂縫裝配式瀝青路面與普通瀝青路面面層底部橫向拉應(yīng)力比較

由表5和圖6可知，在載荷作用下，基層完好的裝配式瀝青路面底面橫向拉應(yīng)力比普通瀝青路面小約58%。在基層裂縫寬度逐漸發(fā)展擴(kuò)大的過(guò)程中，裝配式瀝青路面底部拉應(yīng)力的變化幅度不大，從基層裂縫為5 mm擴(kuò)大到20 mm的過(guò)程中，裝配式瀝青路面底部拉應(yīng)力僅增長(zhǎng)了約7%。帶裂縫工作狀況下，普通瀝青路面底部拉應(yīng)力同樣遠(yuǎn)大于裝配式瀝青路面，裂縫從0 mm擴(kuò)大到5 mm，普通瀝青路面底部拉應(yīng)力增長(zhǎng)了約19.7%，從5 mm擴(kuò)大到20 mm，普通瀝青路面底部拉應(yīng)力增長(zhǎng)幅度與裝配式瀝青路面相近。裝配式瀝青路面相較普通瀝青路面結(jié)構(gòu)，具有較好的抗反射裂縫的能力，其原因在于剛度非常高的GFRP基板起到了擴(kuò)散荷載應(yīng)力的作用，基層裂縫難以反射至瀝青面層。

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析，有如下結(jié)論：

受裝配塊平面尺寸影響最明顯的是瀝青面層底部最大拉應(yīng)力，其次是表面彎沉值，瀝青面層底部最大剪應(yīng)力和土基頂面壓應(yīng)力所受影響最小。以瀝青面層底部最大拉應(yīng)力和表面彎沉值作為裝配塊平面尺寸的控制因素時(shí)，裝配塊的最佳平面尺寸為5 m×1 m。

對(duì)瀝青面層表面彎沉值而言，各因素的影響程度排序?yàn)榛鶎雍穸?GFRP基板厚度>GFRP基板模量>瀝青面層模量>瀝青面層厚度。對(duì)于瀝青面層底部最大拉應(yīng)力，各因素的影響程度排序?yàn)闉r青面層模量>基層厚度>GFRP基板厚度>瀝青面層厚度>GFRP基板模量。對(duì)于瀝青面層底部最大剪應(yīng)力，各因素的影響程度排序?yàn)闉r青面層厚度>瀝青面層模量> GFRP基板厚度> GFRP基板模量>基層厚度。而對(duì)于土基頂面壓應(yīng)力，各因素的影響程度排序?yàn)榛鶎雍穸?GFRP基板厚度> GFRP基板模量>瀝青面層模量>瀝青面層厚度。

裝配式瀝青路面面層底部拉應(yīng)力值約為普通瀝青路面結(jié)構(gòu)面層底部拉應(yīng)力值的42%，裝配式瀝青路面擴(kuò)散行車荷載的能力較強(qiáng)，具有優(yōu)越的抗基層裂縫反射裂縫的能力。

通過(guò)仿真試驗(yàn)得到了裝配式路面結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配塊的最佳平面尺寸，得到不同參數(shù)對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)影響程度大小排序和路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)隨不同因素變化的具體規(guī)律。參數(shù)合理化設(shè)計(jì)的國(guó)省道裝配式瀝青路面能改善路面結(jié)構(gòu)受力狀況，提高抗路面反射裂縫能力。

針對(duì)國(guó)省道公路普遍裂縫等病害的預(yù)制裝配式瀝青路面結(jié)構(gòu)的推薦設(shè)計(jì)方案如下：16 cm 瀝青面層(1 200 MPa)+2 mm GFRP基板(70 GPa)+65 cm 基層厚度+路基。