華春麗,丁 彬

(1.江蘇省高速公路經(jīng)營管理中心，江蘇 南 京210017；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 前 言

干線公路交叉口普遍超載，加之交叉口車輛剎車、啟動頻繁，造成交叉口出現(xiàn)車轍和推移病害，影響行車安全和舒適性。而且交叉口車轍病害嚴(yán)重，反復(fù)進(jìn)行維修，不僅影響交叉口通行效率，而且增加養(yǎng)護(hù)成本和資源浪費(fèi)。

針對交叉口車轍病害頻繁養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)狀，為了深入分析病害出現(xiàn)原因。本文通過有限元數(shù)值分析，研究超載和剎車作用下，交叉口路面結(jié)構(gòu)層受力情況。考慮重載對道路結(jié)構(gòu)層的影響，選取豎向荷載0.7、0.9、1.2 MPa三個(gè)等級。重點(diǎn)對剎車作用、靜止作用進(jìn)行模擬，分為無水平荷載和水荷載為豎向荷載的30%兩種狀況。并分析瀝青模量和層間粘結(jié)狀況不同的工況，對路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)情況。針對病害產(chǎn)生的原因從路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)提出解決方案。

1 計(jì)算模型和參數(shù)

本節(jié)主要考慮重載對道路結(jié)構(gòu)層的影響，豎向荷載選擇范圍0.7、0.9、1.2 MPa三個(gè)等級[1]。重點(diǎn)對無水平荷載和水荷載為豎向荷載的30%兩種情況進(jìn)行分析。同時(shí)研究瀝青層最大剪應(yīng)力/應(yīng)變和最大拉應(yīng)力/應(yīng)變的變化規(guī)律。計(jì)算模型材料參數(shù)如表1所示，路面三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

圖1 路面三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 瀝青層模量影響分析

為了確保接觸面豎向荷載和位移能夠連續(xù)傳遞，假定面層層間接觸為完全連續(xù)狀態(tài)[2]。通過分析無水平荷載和水平荷載為豎向荷載30%兩種工況下，瀝青面層模量對結(jié)構(gòu)層受力影響。計(jì)算結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 無水平荷載最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變

圖3 水平荷載30%時(shí)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變

圖4 無水平荷載最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變

圖5 水平荷載30%時(shí)拉應(yīng)力和拉應(yīng)變

從圖2～5可知，最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變均隨模量增大而減小，受水平荷載影響較小。模量從500 MPa增加至2 000 MPa時(shí)，最大剪應(yīng)變和最大拉應(yīng)變衰減速率最大。模量超過2 000 MPa后，最大剪應(yīng)變和最大拉應(yīng)變隨模量減小速率降低，趨于直線狀態(tài)。在水平荷載為豎向荷載的30%時(shí)，最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力相對無水平荷載狀況，略微增大。隨著荷載增大，剪應(yīng)力和拉應(yīng)力逐漸增大，說明超載對路面破壞較大。因此，適當(dāng)提高瀝青面層模量、路面結(jié)構(gòu)層將有利于提高抵抗超載損壞的能力。

2.2 面層與基層粘結(jié)狀態(tài)影響分析

假設(shè)面層之間完全連續(xù)(即單層加鋪)，選擇瀝青層模量2 000 MPa,計(jì)算無水平荷載和水平荷載為30%時(shí),最大拉應(yīng)變與基層與面層層間連接狀況的關(guān)系[3]。其中橫坐標(biāo)0代表完全光滑，1代表完全連續(xù)。計(jì)算結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 無水平荷載最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變

圖7 水平荷載30%時(shí)拉應(yīng)力和拉應(yīng)變

由計(jì)算結(jié)果可知，最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變受面層和基層間粘結(jié)狀況影響不大。而拉應(yīng)力和拉應(yīng)變受層間粘結(jié)狀況影響極大。當(dāng)面層和基層粘結(jié)狀況由完全滑動變成完全連續(xù)時(shí)，最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變急劇下降。無水平荷載時(shí)，完全連續(xù)時(shí)最大拉應(yīng)變降低為完全滑動時(shí)的16%左右。水平荷載為豎向荷載的30%時(shí)，完全連續(xù)時(shí)最大拉應(yīng)變降低為完全滑動時(shí)的34%左右。完全連續(xù)時(shí)，豎向荷載的增大對最大拉應(yīng)變影響較小。

2.3 面層間粘結(jié)狀態(tài)影響分析

假設(shè)基層與面層之間連接為最佳狀態(tài)，即完全連續(xù)的情況[4]。選擇瀝青層模量2 000 MPa，由于交叉口超載現(xiàn)象頻繁選擇豎向荷載為0.9 MPa。計(jì)算無水平荷載和水平荷載為豎向荷載30%時(shí)，最大剪應(yīng)力與上面層與下面層層間連接狀況的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 面層粘結(jié)狀況對剪應(yīng)力影響

從圖8可知，面層由完全滑動過渡到完全連續(xù)(單層鋪筑)時(shí)，最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)變急劇下降。

綜上所述，面層模量的增大有利于提高結(jié)構(gòu)層抵抗荷載破壞能力。面層與基層粘結(jié)良好時(shí)能夠降低層間拉應(yīng)力。層間粘結(jié)狀況越好，對結(jié)構(gòu)層整體受力越有利。增大面層粘結(jié)狀況可以降低層間剪應(yīng)力。

3 力學(xué)性能分析

為了研究交叉口抗車轍瀝青混合料力學(xué)性能，本文設(shè)計(jì)中石化50#瀝青+PR.M抗車轍劑、中石化30#瀝青+PR.M抗車轍劑和中石化30#基質(zhì)瀝青三種抗車轍混合料[5-7]。通過間接拉伸模量試驗(yàn)和動態(tài)模量試驗(yàn)評價(jià)試件力學(xué)性能。

3.1 間接拉伸試驗(yàn)

間接拉伸試驗(yàn)通過對試件重復(fù)加載。測試試件受力和變形情況，得到混合料勁度模量[8]。通過勁度模量反應(yīng)混合料勁度特性。三種試件15℃間接拉伸模量試驗(yàn)?zāi)Ａ咳鐖D9所示。

從圖9試驗(yàn)結(jié)果可知，30#+PR.M高模量混合料的間接拉伸模量最大，其次為50#+PR.M和30#基質(zhì)瀝青。三種瀝青混合料勁度模量均滿足技術(shù)要求。

圖9 間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 動態(tài)模量試驗(yàn)

動態(tài)模量試驗(yàn)通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，分別在試驗(yàn)頻率0.1～25 Hz下，測試試件15℃動態(tài)模量試驗(yàn)[9-10]。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

從圖10動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果可知：相同條件下，30#+PR.M混合料的模量值最大，其次為50#+PR.M和30#基質(zhì)瀝青。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，瀝青層模量對路面結(jié)構(gòu)受力影響極大。模量越大，則路面抵抗荷載能力越強(qiáng)。荷載頻率越低，說明車輛行駛速度小，趨近于靜止荷載作用下的靜態(tài)模量。采用0.1 Hz條件下試驗(yàn)結(jié)果可知，三種混合料模量分別為6 200、8 300、4 400 MPa，均滿足數(shù)值計(jì)算4 000 MPa以上。由此可知，三種抗車轍混合料均滿足要求，30#+PR.M混合料抵抗荷載能力最強(qiáng)，其次為50#+PR.M和30#基質(zhì)瀝青。

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值計(jì)算分析模量和層間粘結(jié)狀態(tài)對路面剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的影響，并通過力學(xué)試驗(yàn)對三種混合料進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1)適當(dāng)提高瀝青面層模量，路面結(jié)構(gòu)層將有利于提高抵抗超載損壞的能力。瀝青面層模量增大至2 000 MPa時(shí)，剪應(yīng)力和拉應(yīng)力衰減最快。

2)拉應(yīng)力受面層和基層層間粘結(jié)狀況影響極大。當(dāng)面層和基層粘結(jié)狀況由完全滑動變成完全連續(xù)時(shí)，最大拉應(yīng)力急劇下降。

3)三種抗車轍混合料間接拉伸模量和動態(tài)模量均滿足要求，30#+PR.M混合料模量最高，抵抗荷載能力最強(qiáng)，其次為50#+PR.M和30#基質(zhì)瀝青。

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