王素青

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，隨著交通量的增加、重載比例的升高以及氣候因素的影響，瀝青路面早期破環(huán)嚴重。其中由于混合料高溫穩(wěn)定性不足導(dǎo)致的車轍問題尤為明顯。針對瀝青路面的車轍問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了各種解決措施，其中，高模量瀝青材料因其優(yōu)良的高溫抗車轍能力而得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

高模量瀝青混凝土（HMAC）最早出現(xiàn)在法國，多是以低標號的硬質(zhì)瀝青的使用為特征，或是在瀝青混合料中摻入高模量改性劑，從而得到高模量瀝青混凝土，在動態(tài)模量和高溫抗車轍性能方面有著明顯的優(yōu)越性。永久性路面的聯(lián)結(jié)層常采用高模量瀝青混凝土。目前為止，對高模量瀝青混凝土的界定標準大都是參考國外規(guī)范，例如最早的法國規(guī)范規(guī)定的14 000 MPa。然而，由于國外瀝青路面典型結(jié)構(gòu)和設(shè)計理念與我國有很大的不同，提出的指標及技術(shù)要求并不適用于我國的具體情況，導(dǎo)致高模量瀝青混凝土的應(yīng)用難以取得理想的使用效果。因此，結(jié)合我國典型半剛性基層瀝青路面實際情況，參考永久性瀝青路面的耐久性目標，通過有限元受力分析，研究適合于我國典型半剛性基層瀝青路面的高模量瀝青混凝土界定標準，對提高高模量瀝青混凝土質(zhì)量、充分發(fā)揮其性能、促進其推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義，同時對高模量瀝青混凝土規(guī)范標準的建立具有一定參考價值。

1 有限元模型的構(gòu)建

通過ABAQUS 6.14-1，構(gòu)建道路結(jié)構(gòu)模型并進行力學(xué)計算。

1.1 模型幾何尺寸確定以及網(wǎng)格劃分

瀝青路面結(jié)構(gòu)是三維實體，因此，采用三維模型能夠更加真實有效地模擬道路的實際受力情況。實際道路結(jié)構(gòu)在水平和深度方向都是半空間無限體，但在進行有限元分析時，需要給定具體的模型尺寸。在建模過程中發(fā)現(xiàn)，距荷載作用點3 m處，結(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變值均很小，可以忽略不計。因此，本文建立的道路結(jié)構(gòu)模型尺寸為（6 000×6 000×3 000）cm。

為了協(xié)調(diào)計算精度與計算設(shè)備的運算能力，需要對道路結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格合理地劃分。本文生成的網(wǎng)格，在荷載作用區(qū)分布密集，遠離荷載處稀疏；在深度方向上，為了精確計算瀝青層的永久性變形量，瀝青面層內(nèi)每20 mm布種，基層內(nèi)每50 mm布種，土基內(nèi)則是每500 mm布種。構(gòu)建的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型及其網(wǎng)格劃分實例如圖1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件和層間接觸

瀝青混凝土屬于黏彈性材料，經(jīng)受車輛荷載時，路面結(jié)構(gòu)的邊界條件十分復(fù)雜。故在建立道路結(jié)構(gòu)模型時，需對其邊界條件進行合理地簡化。有荷載作用時，土基頂面產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變很小，故最下端可以看作是固定端；左右兩側(cè)是瀝青混凝土，限制豎向和水平向的位移，故左右兩側(cè)的邊界條件可設(shè)置為道路橫向無X向位移，行車方向無Z向位移。

在良好的施工條件下，層間接觸可以定為連續(xù)狀態(tài)。

1.3 荷載作用方式

針對重載車轍問題，提出在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置高模量結(jié)構(gòu)層，在此基礎(chǔ)上，論證高模量瀝青混凝土動態(tài)模量標準值。因此，需對重載的軸載等級進行調(diào)查確定。

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，重載貨車的軸載范圍一般為：單軸雙輪組120 ～180 kN，雙連軸140 ～260 kN，三聯(lián)軸多為160 ～260 kN[1-3]。通過軸載換算，等效軸載約120 ～150 kN。因此，本文選取100 ～140 kN五個軸載等級進行分析。

在進行有限元計算分析時，為使操作簡便，還需對荷載作用圖示進行簡化。重載條件下，輪胎接地形狀接近橢圓。因此，根據(jù)相關(guān)研究成果，將其轉(zhuǎn)換為矩形均布荷載，接地面積為0.8712L×0.6L，雙輪中心距為31.4 cm[4]。

1.4 路面結(jié)構(gòu)層及其材料參數(shù)

國外永久性路面具有以下特點：瀝青面層較厚，常超過20 cm，基層多采用疲勞性能較好的柔性材料。為分析永久性路面結(jié)構(gòu)中高模量瀝青混凝土的模量標準值，參考永久性路面典型路面結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范，選定各個結(jié)構(gòu)層材料的基本性能參數(shù)，具體如表1所示。

表1 選定的永久性路面結(jié)構(gòu)及其材料參數(shù)

通過調(diào)查匯總我國部分省份典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)得知，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青層厚通常要比國外小，在10 ～18 cm范圍內(nèi)；基層多選用水泥穩(wěn)定類材料，厚度通常取20 ～30 cm。為論證高模量瀝青混凝土的動態(tài)模量值，參照永久性路面設(shè)計模型與設(shè)計理念，構(gòu)建我國典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，具體如表2所示。

表2 選用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)及其材料參數(shù)

1.5 設(shè)計控制指標

1.5.1 永久性路面結(jié)構(gòu)極限控制指標

對于永久性路面結(jié)構(gòu)，通過控制結(jié)構(gòu)層的永久變形和疲勞開裂，實現(xiàn)耐久性目標。依據(jù)永久性路面的耐久性要求，筆者在驗算永久性路面結(jié)構(gòu)時，采用兩個極限控制指標：

a）路基頂面豎向壓應(yīng)變最大不超過200 με。

b）極限彎拉應(yīng)變不超過75 με[5]。1.5.2 半剛性基層瀝青路面控制指標

設(shè)計設(shè)置高模量層的半剛性基層瀝青路面時，參考永久性路面的耐久性設(shè)計理念，從永久變形及疲勞開裂兩個方面進行考慮。參考有關(guān)規(guī)范要求[6]，采用以下兩個控制指標：

a）瀝青面層永久變形量 根據(jù)規(guī)范要求，總變形量最大不得超過15 mm。

b）基層層底拉應(yīng)力 考慮疲勞要求，當選取的交通等級值為重交通時，根據(jù)規(guī)范計算得知基層層底的容許拉應(yīng)力為σmax=0.289 MPa。

2 永久性路面高模量瀝青混凝土模量指標分析

2.1 臨界破壞軸載分析

為研究不同等級軸載對于力學(xué)響應(yīng)指標的影響，確定選定路面結(jié)構(gòu)的臨界破壞荷載，選取5個軸載等級100～140 kN，得到不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)指標，計算結(jié)果見圖2所示。

由圖2可知：

圖2 永久性路面軸載對力學(xué)指標的影響

a）當軸載從標準軸載增至140 kN，瀝青層底拉應(yīng)變由61.72 με增至86.21 με，增幅39.7%，近似呈線性增長，從而引起疲勞開裂問題，減少路面的結(jié)構(gòu)疲勞壽命。對于路基頂面豎向壓應(yīng)變指標來說，隨軸載的增加基本呈線性增長的趨勢，當軸載從標準軸載增大到140 kN，路基頂面豎向壓應(yīng)變增加了39.8%，大大增加了整個結(jié)構(gòu)層的永久變形量，使路面發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

b）以疲勞極限和路基頂面極限豎向壓應(yīng)變作為控制指標，當軸載為130 kN時，瀝青層底拉應(yīng)變達到了80.113 με，超過了此文限定容許值75 με，疲勞壽命不滿足要求；且路基頂面豎向壓應(yīng)變達到了204.273 με，超過了極限應(yīng)變水平200 με，路面結(jié)構(gòu)的永久變形量不滿足要求，因此將130 kN作為選定路面結(jié)構(gòu)的臨界破壞荷載。

2.2 動態(tài)模量標準值分析

在永久性路面的典型結(jié)構(gòu)中，一般將聯(lián)結(jié)層設(shè)置為高模量層，本節(jié)重點分析聯(lián)結(jié)層模量的提高對于力學(xué)響應(yīng)指標的影響，從而確定永久性路面結(jié)構(gòu)中高模量層動態(tài)模量標準值。當臨界破壞荷載為130 kN時，選取聯(lián)結(jié)層模量為9 000 ～15 000 MPa，依次按照1 000 MPa遞增，得到不同結(jié)構(gòu)層模量下的力學(xué)響應(yīng)指標，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：

圖3 聯(lián)結(jié)層模量對力學(xué)指標的影響

a）隨著聯(lián)結(jié)層動態(tài)模量的提高，兩個控制指標均有一定程度的減小，但是受力特征并沒有發(fā)生明顯的變化，隨著深度方向不同，路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)變化趨勢是相似的。

b）以疲勞極限75 με以及極限豎向壓應(yīng)變200 με作為控制指標，當聯(lián)結(jié)層模量達到13 000 MPa時，兩個控制指標均滿足要求。也就是說，對于此路面結(jié)構(gòu)來說，臨界破壞軸載為130 kN時，高模量混凝土的模量標準值可以確定為13 000 MPa（20℃，10 Hz），此時路面結(jié)構(gòu)的各項控制指標滿足要求。

3 半剛性基層瀝青路面高模量瀝青混凝土模量指標分析

3.1 臨界破壞軸載分析

為確定給定路面結(jié)構(gòu)的臨界破壞荷載，對5個不同等級軸載作用下的力學(xué)響應(yīng)指標進行了計算，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 軸載對力學(xué)指標的影響

由圖4可知：

a）兩個設(shè)計控制指標均隨軸載的增加而增大，且基層層底拉應(yīng)力大致呈線性增加?；鶎訉拥桌瓚?yīng)力的大幅增長會導(dǎo)致疲勞開裂問題，減少道路結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。當軸載從標準軸載增長至140 kN時，結(jié)構(gòu)層永久變形量則從25.35 mm增至34.45 mm，永久變形量指標不符合規(guī)范要求。

b）對照永久性路面的受力分析結(jié)果，將半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的臨界破壞荷載設(shè)置為130 kN時，以車轍深度和基層層底拉應(yīng)力作為控制指標，車轍深度增長至32.54 mm，路面結(jié)構(gòu)層的永久變形量不滿足設(shè)計規(guī)范，本文將在臨界荷載130 kN的條件下對高模量層的合理模量值進行后續(xù)分析。

3.2 動態(tài)模量標準值分析

對于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，剪應(yīng)變最大值一般出現(xiàn)在中面層，且隨軸載的增加有下移趨勢，因此本文將高模量層設(shè)定為中下面層。在上文確定的臨界破壞荷載130 kN的基礎(chǔ)上，選定5個動態(tài)模量等級，對不同模量影響下的力學(xué)響應(yīng)指標進行了計算，以此確定合理的模量值，計算結(jié)果見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)層模量力學(xué)指標的影響

由圖5可知：

a）隨著中下面層動態(tài)模量的提高，兩個設(shè)計控制指標有減小的趨勢。

b）當動態(tài)模量值由9 000 MPa增長至18 000 MPa，基層層底拉應(yīng)力由0.250 MPa減小至0.225 MPa，減小了10%，說明高模量瀝青混凝土可以有效改善路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能。以文中路面結(jié)構(gòu)的容許拉應(yīng)力0.289 MPa為控制指標，疲勞性能滿足要求。

c）對于路面結(jié)構(gòu)的永久變形量來說，當臨界破壞軸載為130 kN時，初始路面結(jié)構(gòu)的永久變形量為32.54 mm，已超過路面設(shè)計規(guī)范要求。以規(guī)范要求15 mm為控制指標，經(jīng)計算當中下面層的高模量瀝青混凝土車轍深度約為0.85 mm時，在軸載130 kN的條件下，永久變形量約為15 mm，基本滿足設(shè)計規(guī)范。經(jīng)過調(diào)查分析[7-8]并結(jié)合高模量瀝青混合料車轍試驗結(jié)果，當高模量瀝青混凝土的動態(tài)模量值為12 000 ～14 000 MPa，其60℃車轍試驗的車轍深度約為0.8 ～1.0 mm。因此，對于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)來說，高模量混凝土的模量標準值建議為13 000MPa（20 ℃，10 Hz），此時路面結(jié)構(gòu)的各項控制指標滿足要求。

4 研究結(jié)論

a）對于永久性路面來說，瀝青層底拉應(yīng)力和路基頂面豎向壓應(yīng)變隨軸載的增大而迅速增大，且當軸載達到130 kN時，兩個設(shè)計控制指標均不滿足要求，因此將永久性路面結(jié)構(gòu)的臨界破壞軸載定為130 kN。

b）考慮130 kN為臨界破壞軸載，以疲勞極限75 με以及路基頂面極限豎向壓應(yīng)變200 με作為控制指標，得知對于永久性路面結(jié)構(gòu)來說，高模量瀝青混凝土的模量值應(yīng)當確定為13 000 MPa（20 ℃，10 Hz）。

c）參照永久性路面結(jié)構(gòu)，將臨界破壞軸載設(shè)置為130 kN，并將高模量層設(shè)置為中下面層。以永久變形15 mm和基層容許拉應(yīng)變0.289 MPa作為控制指標，計算得到當模量值達到13 000 MPa時，兩個設(shè)計控制指標均滿足規(guī)范要求。因此，對于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，高模量瀝青混凝土動態(tài)模量標準值建議為13 000MPa（20 ℃，10 Hz）。