王 森

(遼寧交投公路科技養(yǎng)護(hù)有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110000)

0 引言

沈山高速公路由于交通量大、荷載水平高，近年來(lái)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的高溫車轍病害，2019年至2020年，對(duì)病害嚴(yán)重路段進(jìn)行了維修，為了提高維修路面的高溫抗車轍能力，部分路段采用了銑刨16cm瀝青面層，然后鋪筑兩層8cm高模量瀝青混凝土AC-20的方案。

已有研究表明，高模量瀝青混凝土在高溫條件下，模量更高，明顯高于SBS改性瀝青混凝土，例如，在45℃、10Hz條件下，高模量瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量可達(dá)到SBS改性瀝青混凝土的2倍以上，達(dá)到2000MPa以上，在55℃、10Hz條件下，仍可達(dá)到SBS改性瀝青混凝土的1.2倍以上[1-3]，因此可以降低表面層和中面層的應(yīng)變水平，從而避免結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)高溫塑性失穩(wěn)，并且，在實(shí)際的應(yīng)用中，高模量瀝青混凝土取得了良好的抗車轍效果[4-5]。目前，雙層8cm高模量瀝青混凝土AC-20路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬首次，對(duì)于該路面結(jié)構(gòu)的受力特性分析仍然較少，從雙層高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的高溫永久變形累積規(guī)律分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面考慮，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布特征進(jìn)行分析。

由于路面荷載為動(dòng)態(tài)荷載[6]，因此，利用各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)模量參數(shù)，建立了彈性層狀體系模型，其中高模量瀝青混凝土AC-20的動(dòng)態(tài)模量采用室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果，其它結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)參數(shù)參考已有研究成果確定[7-9]，然后使用BISAR 3.0 軟件對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的典型位置處的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 計(jì)算模型建立

1.1 車輪荷載模型

分析時(shí)采用豎向雙圓荷載模型[10]，荷載直徑為21.3cm，荷載間距為31.96cm，針對(duì)重載交通，壓力值設(shè)為1100kPa。對(duì)于車轍變形，荷載正下方以及荷載邊緣是2個(gè)典型位置，重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)位置進(jìn)行分析，如圖1所示，A點(diǎn)指示的是荷載下方，B點(diǎn)是荷載邊緣。

圖1 荷載模型

1.2 結(jié)構(gòu)層溫度確定

高模量瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量受溫度影響較大，準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)層溫度是合理選擇瀝青路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)參數(shù)的前提。首先，將上、下面層分別平均分為2層，按深度方面分別記為上面層1和上面層2、下面層1和下面層2，并且4個(gè)結(jié)構(gòu)層溫度以各自層中位置處的溫度作為代表值，按照下式進(jìn)行計(jì)算[11]，并結(jié)合國(guó)內(nèi)研究成果[12]，確定下午13點(diǎn)時(shí)各結(jié)構(gòu)層溫度如表1所示。

表1 13點(diǎn)時(shí)各結(jié)構(gòu)層選定的溫度

Tsurf-Tair=-0.00618Lat2+0.2289Lat+24.4

Th=Tsurf(1-0.063h+0.007h2-0.0004h3)

式中：Tsurf—路表溫度，℃；

Tair—7d最高平均溫度，℃；

Lat—項(xiàng)目所在地的地理緯度。

其中，緯度選擇41.1°，空氣溫度選擇31.6℃。

1.3 結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量參數(shù)確定

按照試驗(yàn)規(guī)程[13]中T0738的試驗(yàn)方法，使用SPT進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，開(kāi)展了15℃、30℃、45℃、55℃等4個(gè)溫度條件、不同加載頻率的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，不同溫度條件下，其中10Hz動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 高模量瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量隨溫度變化

從圖2中可以看出，荷載頻率10Hz條件下，高模量瀝青混凝土對(duì)溫度敏感性較強(qiáng)，其動(dòng)態(tài)模量隨溫度的升高而逐漸降低，整體上呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢(shì)。使用3次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其它位于試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的模量值可由擬合曲線近似求得。

1.4 結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)高溫重載使用條件，建立結(jié)構(gòu)模型如表2所示。其中高模量瀝青混凝土面層的模量值均采用了加載頻率為10Hz的動(dòng)態(tài)模量數(shù)值，非試驗(yàn)溫度條件下的模量值按照擬合公式進(jìn)行了計(jì)算，最終建立的結(jié)構(gòu)模型如表2所示。

表2 計(jì)算模型參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 荷載下方A點(diǎn)壓應(yīng)力與壓應(yīng)變分析

荷載下不同深度處壓應(yīng)力與壓應(yīng)變?nèi)鐖D3、圖4所示。

圖3 荷載下方不同深度處豎向應(yīng)力

圖4 荷載下方不同深度處豎向應(yīng)變

由圖3、圖4可以看出，在高溫重載交通條件下，對(duì)于雙層高模量瀝青混凝土結(jié)構(gòu)：

(1)豎向壓應(yīng)力整體上隨深度逐漸降低，但是在6cm以上，應(yīng)力水平降低幅度較小，與路表面相比，僅降低了約10%，6cm以下降低速率加大，但降低速率均一，應(yīng)力水平仍然較高，即使在13cm深度處，豎向壓應(yīng)力仍可達(dá)約0.7MPa，為路表壓力的63.6%。

(2)豎向壓應(yīng)變隨深度的變化規(guī)律是先升高、后降低，在0～6cm深度范圍內(nèi)，應(yīng)變水平較高，達(dá)到了250με以上，在6cm以下，豎向壓應(yīng)變水平隨深度逐漸降低，但在9cm深度處，應(yīng)變水平仍然達(dá)到了約200με，11cm深度以下，應(yīng)變水平降低為150με以下。

(3)從荷載下方的豎向壓應(yīng)力與壓應(yīng)變兩個(gè)方面分析，對(duì)于雙層高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，路表至9cm深度之間層次的應(yīng)力應(yīng)變水平均較高，將是未來(lái)高溫永久變形累積的主要層次。

2.2 荷載下方與荷載邊緣剪應(yīng)力與剪應(yīng)變分析

圖5 不同深度處最大剪應(yīng)力

圖6 不同深度處最大剪應(yīng)變

由圖5、圖6可以看出，對(duì)于雙層高模量瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，在高溫重載交通條件下：

(1)在荷載正下方，剪應(yīng)力整體規(guī)律為隨深度先升高后降低，在深度為6cm左右處達(dá)到較高水平；在荷載邊緣，剪應(yīng)力隨深度先升高后降低，在深度為2cm左右處達(dá)到較高水平。

(2)不論在荷載正下方還是荷載邊緣，剪應(yīng)變均隨深度先升高后降低；對(duì)于荷載邊緣深度2cm位置處，剪應(yīng)變達(dá)到較高水平，對(duì)于荷載下方0～7cm深度區(qū)間的剪應(yīng)變水平較高；最大的剪應(yīng)變出現(xiàn)在荷載邊緣、深度為2cm左右位置處，剪應(yīng)變水平達(dá)到270με左右；在6cm以下的相同深度處，荷載正下方的剪應(yīng)變水平均高于荷載邊緣。

(3)結(jié)合荷載正下方與荷載邊緣處的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變分析，在深度7cm以上區(qū)域，剪應(yīng)變水平高于150με，是高剪應(yīng)力剪應(yīng)變區(qū)。

3 結(jié)論

基于瀝青路面結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量，利用彈性層狀體系模型，對(duì)雙層高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)在高溫重載條件下的受力特性進(jìn)行了分析，得到以下一些結(jié)論：

(1)高溫重載條件下，雙層高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)在荷載下方的壓應(yīng)力隨深度逐漸降低，但整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力水平均較高；豎向壓應(yīng)變隨深度先升高后降低，深度2～6cm區(qū)間內(nèi)是壓應(yīng)變水平較高區(qū)域，可達(dá)250με以上；

(2)高溫重載條件下，荷載下方與荷載邊緣的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變均隨深度先升高后降低；最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在荷載邊緣2cm深度位置處，達(dá)到270με左右，在6cm以下的相同深度處，荷載正下方的剪應(yīng)變水平均高于荷載邊緣；

(3)結(jié)合荷載下方與荷載邊緣的壓、剪兩個(gè)方面的受力特性分析，路面深度0～9cm區(qū)間是雙層高模量瀝青路面的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)，深度2cm左右位置處為應(yīng)變的極值位置。