蔡州鵬

（漳州市公路事業(yè)發(fā)展中心 長(zhǎng)泰分中心，福建 長(zhǎng)泰 350605）

0 引言

我國高等級(jí)公路具有交通量大、重載車輛多等特點(diǎn)，部分高溫地區(qū)已出現(xiàn)大量車轍病害，具體有如下幾種類型：磨損型車轍、壓縮型車轍、結(jié)構(gòu)型車轍 、流動(dòng)型車轍[1]。目前，我國高等級(jí)公路的流動(dòng)型車轍現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此提高路面結(jié)構(gòu)抵抗車轍變形能力的需求不斷增加，工程界的研究人員研究了多種新型材料，其中高模量瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量可達(dá)14 000 MPa以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗車轍、抗疲勞能力[2-3]。高模量瀝青混凝土所用的材料由硬質(zhì)瀝青和連續(xù)級(jí)配粗集料組成，可以改善混合料的瀝青膠結(jié)性能，具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能，能夠延緩車轍現(xiàn)象的產(chǎn)生，減小車轍的深度，延長(zhǎng)路面的使用壽命[4-5]。高模量瀝青混凝土在我國的應(yīng)用可大致分為如下3個(gè)階段。摸索階段（2000—2005年）：從法國引入高模量瀝青混凝土的概念，該階段將抗車轍劑應(yīng)用在高速公路路面面層結(jié)構(gòu)中。實(shí)驗(yàn)階段（2005—2008年）：我國開始自主研究高模量瀝青混凝土，并應(yīng)用于解決瀝青道路流動(dòng)性車轍問題，該階段鋪筑了眾多高模量瀝青混凝土試驗(yàn)段并進(jìn)行后期的跟蹤評(píng)價(jià)。推廣階段（2009年至今）：高模量瀝青混凝土被證實(shí)作為路面結(jié)構(gòu)層中的基層或中面層可以有效解決流動(dòng)性車轍問題。全國各地紛紛開始將高模量瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)層組成部分進(jìn)行推廣[6-7]。本研究旨在通過路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，探討高模量及普通模量瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)差異。

1 模型建立

1.1 基本假設(shè)

瀝青面層主要的承載結(jié)構(gòu)層為中面層，同時(shí)它是出現(xiàn)車轍比較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)層。因此，本研究擬將高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料應(yīng)用到中面層，借助3D-Move Analysis軟件對(duì)兩種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和對(duì)比。

1.2 擬定路面結(jié)構(gòu)

上面層采用改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料，中面層采用高模量瀝青混合料和高性能改性瀝青混合料，基層采用半剛性基層——水泥穩(wěn)定碎石。由于每層材料的剛度不同，也不能相對(duì)滑動(dòng)，因此會(huì)在接觸面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。通過描述各界面條件所對(duì)應(yīng)的影響結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力的分布位置及大小，發(fā)現(xiàn)最大拉應(yīng)力主要集中在中面層，在超荷載作用下容易使各界面受損，特別是中面層受損更嚴(yán)重。具體路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表1、表2。

表1 擬定路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)（一）

表2 擬定路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)（二）

采用高模量瀝青混合料作為中面層，以期降低荷載作用下瀝青混合料產(chǎn)生的變形，從而提高路面的整體強(qiáng)度。高模量瀝青混合料具有以下幾點(diǎn)特性：①與傳統(tǒng)的AC-20C、Superpave-20瀝青混合料類型相比，高模量瀝青混合料具有良好的高溫性能、模量性能和抗疲勞性能。②高模量瀝青混合料空隙率較小，易壓實(shí)，可實(shí)現(xiàn)一次攤鋪，與常規(guī)的瀝青混合料相比，可避免因分層壓實(shí)造成層間界面不連續(xù)而延誤開放交通時(shí)間等問題。③采用高模量瀝青混合料提高路面抗車轍性能，與SBS改性瀝青混合料相比，不僅可以降低造價(jià)，而且能避免使用SBS改性瀝青產(chǎn)生的離析現(xiàn)象，提高路面的均勻性。

1.3 模型幾何及計(jì)算點(diǎn)位確定

本文將應(yīng)用3D-Move Analysis 路面結(jié)構(gòu)分析軟件，對(duì)新型高模量瀝青混合料與傳統(tǒng)普通模量瀝青混合料對(duì)應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎接地壓強(qiáng)p=700 kPa，當(dāng)量圓直徑2=21.6 cm，計(jì)算模型及荷載分布形式（如圖1、圖2），X為行車方向，Y 為路面橫斷面方向，Z為路面深度方向。隨著路面深度的增加，由車輪傳遞下來的荷載逐漸衰減，接觸力越來越小；在荷載作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表最大變化量不是出現(xiàn)在輪隙中心處，而是在荷載作用中心處，變化量為0.23～0.28 mm，瀝青路面結(jié)構(gòu)在左右輪荷載作用下，路面深度Z方向位移呈線性對(duì)稱變化，隨著路面結(jié)構(gòu)深度增加，位移逐漸變小。在外力作用下，輪隙中間處和輪外側(cè)受到橫向擠壓作用，會(huì)讓向下變形受到限制而產(chǎn)生向上凸起現(xiàn)象。進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)計(jì)算時(shí)，沿X行車方向拾取點(diǎn)位的間距為10.8 cm，共5 個(gè)計(jì)算點(diǎn)位（分別為X=-21.6 cm、-10.8 cm、0 cm、10.8 cm 、21.6 cm），沿路面橫斷面Y方向拾取點(diǎn)位的間距為5.326 cm，共20 個(gè)計(jì)算點(diǎn)位（含路面結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力最大值處A、B、C 和D4個(gè)點(diǎn)）。

圖1 X-Y平面應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位分布示意圖

圖2 Y-Z平面應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位分布示意圖

2 高模量瀝青路面應(yīng)力響應(yīng)分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)典型點(diǎn)位沿深度方向的應(yīng)力分布

從兩種路面結(jié)構(gòu)典型點(diǎn)位分別對(duì)A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，路面深度的正應(yīng)力分布點(diǎn)次序如圖3、圖4所示，其拉應(yīng)力為負(fù)值，壓應(yīng)力為正值。

圖3 高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布（結(jié)構(gòu)一）

圖4 普通模量瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布（結(jié)構(gòu)二）

由圖3和4可知，在道路的行車方向（X方向），瀝青面層承受壓應(yīng)力，基層承受拉應(yīng)力。結(jié)構(gòu)一中，A、B、C、D 4點(diǎn)在路表及基層、底基層層底的拉壓應(yīng)力均略小于結(jié)構(gòu)二，中面層及下面層層底的壓應(yīng)力明顯小于結(jié)構(gòu)二。表明結(jié)構(gòu)二中面層由于采用了高模量瀝青混合料，因此增強(qiáng)瀝青層的抗變形能力，減少運(yùn)行后期出現(xiàn)鼓包、車轍、坑槽等病害的風(fēng)險(xiǎn)。

在道路的行車方向，路表A點(diǎn)在瀝青路面沿X方向產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)路表最大壓應(yīng)力為0.61 MPa，普通模量瀝青路面為0.65 MPa。沿X方向最大拉應(yīng)力均發(fā)生在底基層層底的D點(diǎn)處，高模量瀝青路面最大拉應(yīng)力為0.101 6 MPa，普通模量瀝青路面為0.104 5 MPa。由此可見，中面層采用高模量瀝青對(duì)表面層抗壓和基層抗拉能力的提升效果非常有限。

由分析結(jié)果可知，在靜力荷載作用下，結(jié)構(gòu)一沿X方向在中面層層底A、B、C、D 4點(diǎn)處的壓應(yīng)力分別為0.016 MPa、0.036 MPa、0.045 MPa、0.049 MPa；結(jié)構(gòu)二分別為0.078 MPa、0.067 MPa、0.066 MPa、0.065 MPa。表明高模量瀝青混合料中面層的應(yīng)用對(duì)中面層抗車轍、坑槽有顯著改善作用。

2.2 路面結(jié)構(gòu)YZ剖面應(yīng)力分布

計(jì)算得到兩種路面結(jié)構(gòu)在X=0 處橫向剖面的應(yīng)力SZZ，荷載作用下沿Z方向的正應(yīng)力受壓取正值，受拉取負(fù)值的分布情況如圖5、圖6所示。

圖5 路面結(jié)構(gòu)一：YZ剖面SZZ應(yīng)力分布（高模量）

圖6 路面結(jié)構(gòu)二：YZ剖面SZZ應(yīng)力分布（普通模量）

從圖5和圖6中可以看出，結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)二沿Z方向的正應(yīng)力均以X軸對(duì)稱分布，并且荷載作用區(qū)域兩側(cè)約距離范圍內(nèi)為高應(yīng)力區(qū)。兩種路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況一致，區(qū)別僅在于高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)沿Z方向的正應(yīng)力略小于普通模量瀝青路面結(jié)構(gòu)。

計(jì)算得到兩種路面結(jié)構(gòu)在X=0 處橫向剖面的應(yīng)力SXX，荷載作用下沿Z方向的正應(yīng)力受壓取正值，受拉取負(fù)值的分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 路面結(jié)構(gòu)一：YZ剖面SXX應(yīng)力分布（高模量）

圖8 路面結(jié)構(gòu)二：YZ剖面SXX應(yīng)力分布（普通模量）

由圖7和圖8可以看出，不同于沿深度方向的正應(yīng)力SZZ的分布情況，兩種路面結(jié)構(gòu)沿行車方向的正應(yīng)力SXX分布情況差異顯著。兩種路面結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在中、下面層范圍內(nèi)，高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力值為139.0 kPa，普通模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力值為101.5 kPa。高模量瀝青混凝土中、下面層出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且壓應(yīng)力僅分布在荷載作用區(qū)域兩側(cè)約距離范圍內(nèi)，有效吸收了表面層傳遞的壓應(yīng)力，并進(jìn)一步阻止壓應(yīng)力向下傳遞，高效利用高模量瀝青混凝土優(yōu)異的抗變形能力抵抗路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓應(yīng)力。普通模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力在表面層及中下面層的整個(gè)橫斷面均有擴(kuò)散分布，增大了瀝青路面表面層的變形風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)表面層瀝青混凝土的抗變形能力提出更高要求[8]。根據(jù)以上對(duì)比分析，高模量瀝青混凝土可確保荷載作用下結(jié)構(gòu)層損壞控制在面層頂部較薄的范圍內(nèi)，減緩自上向下的車轍，進(jìn)一步預(yù)防連接層以下的結(jié)構(gòu)性損壞，要有針對(duì)性、預(yù)防性和有計(jì)劃地養(yǎng)護(hù)補(bǔ)救表面層的損壞，因此可運(yùn)用于重交通或高等級(jí)公路項(xiàng)目當(dāng)中。

3 結(jié)論

本文通過將高模量瀝青混凝土應(yīng)用到傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面中面層中，借助3D-Move Analysis 路面結(jié)構(gòu)分析軟件，對(duì)新型高模量瀝青混合料和傳統(tǒng)普通模量瀝青混合料對(duì)應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

（1）中面層采用高模量瀝青對(duì)表面層層底抗壓和基層層底抗拉應(yīng)力的消減效果非常有限。對(duì)中下面層層底的應(yīng)力消減作用顯著，增強(qiáng)了瀝青層的抗變形能力，減少了公路運(yùn)行后期出現(xiàn)鼓包、車轍、坑槽等病害的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）兩種路面結(jié)構(gòu)沿Z方向的正應(yīng)力均以X軸對(duì)稱分布，并且荷載作用區(qū)域兩側(cè)約距離范圍內(nèi)為高應(yīng)力區(qū)。

（3）中面層采用高模量瀝青混凝土可有效吸收表面層傳遞的壓應(yīng)力并進(jìn)一步阻止壓應(yīng)力向下傳遞，高效利用高模量瀝青混凝土本身優(yōu)異的抗變形能力抵抗路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓應(yīng)力。普通模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力分布擴(kuò)散，增加瀝青面層變形風(fēng)險(xiǎn)。