華春麗,丁 彬

(1.江蘇省高速公路經營管理中心，江蘇 南 京210017；2.蘇交科集團股份有限公司，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重，反復進行維修，不僅影響交叉口通行效率，而且增加養(yǎng)護成本和資源浪費。

針對交叉口車轍病害頻繁養(yǎng)護的現狀，為了深入分析病害出現原因。本文通過有限元數值分析，研究超載和剎車作用下，交叉口路面結構層受力情況?？紤]重載對道路結構層的影響，選取豎向荷載0.7、0.9、1.2 MPa三個等級。重點對剎車作用、靜止作用進行模擬，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狀況不同的工況，對路面結構層力學響應情況。針對病害產生的原因從路面結構和材料設計提出解決方案。

1 計算模型和參數

本節(jié)主要考慮重載對道路結構層的影響，豎向荷載選擇范圍0.7、0.9、1.2 MPa三個等級[1]。重點對無水平荷載和水荷載為豎向荷載的30%兩種情況進行分析。同時研究瀝青層最大剪應力/應變和最大拉應力/應變的變化規(guī)律。計算模型材料參數如表1所示，路面三維結構計算模型見圖1。

表1 計算模型參數

圖1 路面三維結構計算模型

2 數值計算分析

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，瀝青面層模量對結構層受力影響。計算結果如圖2～5所示。

圖2 無水平荷載最大剪應力和剪應變

圖3 水平荷載30%時剪應力和剪應變

圖4 無水平荷載最大拉應力和拉應變

圖5 水平荷載30%時拉應力和拉應變

從圖2～5可知，最大剪應力和剪應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，最大剪應變和最大拉應變衰減速率最大。模量超過2 000 MPa后，最大剪應變和最大拉應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，最大剪應力和最大拉應力相對無水平荷載狀況，略微增大。隨著荷載增大，剪應力和拉應力逐漸增大，說明超載對路面破壞較大。因此，適當提高瀝青面層模量、路面結構層將有利于提高抵抗超載損壞的能力。

2.2 面層與基層粘結狀態(tài)影響分析

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

圖6 無水平荷載最大拉應力和拉應變

圖7 水平荷載30%時拉應力和拉應變

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

2.3 面層間粘結狀態(tài)影響分析

假設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，由于交叉口超載現象頻繁選擇豎向荷載為0.9 MPa。計算無水平荷載和水平荷載為豎向荷載30%時，最大剪應力與上面層與下面層層間連接狀況的關系。計算結果如圖8所示。

圖8 面層粘結狀況對剪應力影響

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，最大剪應力和最大剪應變急劇下降。

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

3 力學性能分析

為了研究交叉口抗車轍瀝青混合料力學性能，本文設計中石化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#基質瀝青三種抗車轍混合料[5-7]。通過間接拉伸模量試驗和動態(tài)模量試驗評價試件力學性能。

3.1 間接拉伸試驗

間接拉伸試驗通過對試件重復加載。測試試件受力和變形情況，得到混合料勁度模量[8]。通過勁度模量反應混合料勁度特性。三種試件15℃間接拉伸模量試驗模量如圖9所示。

從圖9試驗結果可知，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#基質瀝青。三種瀝青混合料勁度模量均滿足技術要求。

圖9 間接拉伸試驗結果

3.2 動態(tài)模量試驗

動態(tài)模量試驗通過旋轉壓實成型試件，分別在試驗頻率0.1～25 Hz下，測試試件15℃動態(tài)模量試驗[9-10]。試驗結果如圖10所示。

圖10 動態(tài)模量試驗結果

從圖10動態(tài)模量試驗結果可知：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#基質瀝青。根據數值計算結果，瀝青層模量對路面結構受力影響極大。模量越大，則路面抵抗荷載能力越強。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條件下試驗結果可知，三種混合料模量分別為6 200、8 300、4 400 MPa，均滿足數值計算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，其次為50#+PR.M和30#基質瀝青。

4 結 論

本文通過數值計算分析模量和層間粘結狀態(tài)對路面剪應力和拉應力的影響，并通過力學試驗對三種混合料進行分析，主要結論如下。

1)適當提高瀝青面層模量，路面結構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，剪應力和拉應力衰減最快。

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

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，其次為50#+PR.M和30#基質瀝青。

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