彭紅衛(wèi) 孫劍峰 呂紹文

（湖南省交通科學(xué)研究院有限公司）

0 引言

瀝青路面是一種路用性能優(yōu)異并被廣泛應(yīng)用的路面類(lèi)型。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和物流持續(xù)高速發(fā)展，公路交通具有流量大、速度高、軸載重的特征，道路路面若長(zhǎng)期處于重載環(huán)境下易出現(xiàn)車(chē)轍、開(kāi)裂等路面病害，提前進(jìn)入大中修養(yǎng)護(hù)階段，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失，可見(jiàn)提高瀝青路面使用壽命已成為中國(guó)道路領(lǐng)域的重要任務(wù)[1]。各國(guó)高級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)材料組成、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及控制指標(biāo)各有差異[2]，因此高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)組成各具特色。國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史長(zhǎng)、應(yīng)用面廣的半剛性基層瀝青路面也開(kāi)展了長(zhǎng)壽命研究[3]，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了多類(lèi)長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的探索研究[4,5]，并開(kāi)展了各類(lèi)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[6,7]。道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、使用環(huán)境、交通環(huán)境、維保條件等不盡相同，雖國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)開(kāi)展了廣泛深入的研究，修筑了多條試驗(yàn)路段，取得了豐富的研究成果，但整體上并未出現(xiàn)國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的、統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)壽命、耐久性高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)。各高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)的部分力學(xué)響應(yīng)規(guī)律有所研究[8]，但尚未見(jiàn)綜合性能分析對(duì)比研究。本研究選出了具有代表性的5 種高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)，前4 種結(jié)構(gòu)均已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，結(jié)構(gòu)五為本項(xiàng)目研究并推薦的一種全柔性長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了力學(xué)指標(biāo)、驗(yàn)算指標(biāo)計(jì)算與綜合性能分析，希望為更科學(xué)選擇優(yōu)質(zhì)瀝青路面結(jié)構(gòu)提供重要參考。

1 路面結(jié)構(gòu)方案

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，選取了五種代表性高等級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，其中結(jié)構(gòu)一為我國(guó)普通高速公路半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)[9]、結(jié)構(gòu)二為山東濱州全厚式長(zhǎng)壽命瀝青路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)[5]、結(jié)構(gòu)三為國(guó)外耐久性全柔式瀝青路面典型結(jié)構(gòu)[10]、結(jié)構(gòu)四為濟(jì)萊高速全柔性高性能瀝青路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)[11]、結(jié)構(gòu)五為推薦的全柔性長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)（FFPAP）[12]。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D50-2017）》[13]和相關(guān)文獻(xiàn)資料確定了各結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)，具體結(jié)果如表1 所示。結(jié)構(gòu)一為我國(guó)普通高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)，路面瀝青層厚度、總厚度均最小，為典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)二為山東濱州全厚式長(zhǎng)壽命瀝青路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)，路面總厚度最大，瀝青層厚度42㎝；結(jié)構(gòu)三為國(guó)外耐久性全柔式瀝青路面典型結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)四為濟(jì)萊高速全柔性高性能瀝青路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)材料類(lèi)似、瀝青層厚度一致，各層厚度組成略有不同，結(jié)構(gòu)三路面瀝青層中面層厚于下面層、而結(jié)構(gòu)四反之，且結(jié)構(gòu)三基層厚度高于結(jié)構(gòu)四、總厚度高于結(jié)構(gòu)四；結(jié)構(gòu)五為通過(guò)理論分析提出的全柔性長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，面層、基層均為瀝青層，瀝青層厚度最大73㎝，總厚度居中。

表1 五種典型高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)方案

2 路面結(jié)構(gòu)Mpave 分析模型

采用麥路（Mpave）軟件進(jìn)行力學(xué)分析與模擬計(jì)算。Mpave 軟件是專門(mén)用于瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)在線軟件，其路面結(jié)構(gòu)計(jì)算的荷載是雙圓均布垂直荷載，路面結(jié)構(gòu)體系為彈性半空間層狀連續(xù)體系，與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《JTG D50-2017 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》適配。

研究的瀝青路面力學(xué)分析指標(biāo)分別是路表彎沉、豎向位移、豎向壓應(yīng)力、水平拉應(yīng)變。圖1（a)、（b)給出了三維力學(xué)模型坐標(biāo)、力學(xué)模型離散網(wǎng)格圖。

圖1 計(jì)算模型及荷載分布圖

Mpave 軟件支持定義豎向路徑、水平路徑，且路徑對(duì)稱于坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算之后可輸出力學(xué)云圖。相關(guān)力學(xué)指標(biāo)主要有UX、UY、UZ、SX、SY、SZ、SXY、EX、EY、EZ、EXY。

計(jì)算用的標(biāo)準(zhǔn)軸載為0.7MPa，雙圓荷載半徑為0.1065m，兩輪中心距為0.3195m，層間完全連續(xù)。坐標(biāo)軸X 軸、Y 軸與Z 軸分別對(duì)應(yīng)著路面模型的垂直行車(chē)方向、豎直方向、沿行車(chē)方向。坐標(biāo)原點(diǎn)在雙圓荷載的中心點(diǎn)，符合《JTG D50-2017 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

3 力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)Mpave 軟件計(jì)算得到五種路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉UY（沿X 軸）如圖2 所示。從圖2 數(shù)據(jù)分析可知，相同軸載條件下，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉UY（沿X軸）分步規(guī)律基本一致，但大小不同。結(jié)構(gòu)二即山東濱州全厚式長(zhǎng)壽命路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)的路面剛度最大，推薦的FFPAP 結(jié)構(gòu)的路面剛度次之，從而可以減小路面變形的發(fā)生。

得到五種路面結(jié)構(gòu)雙圓中心處沿深度的豎向位移UY（沿Y 軸）如圖3 所示。從圖3 數(shù)據(jù)分析可知，相同軸載條件下，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的深度豎向位移UY（沿Y軸）分布規(guī)律基本一致，但大小不同，比較結(jié)果與路表彎沉基本相同。

圖3 沿深度的豎向位移UY（沿Y 軸）

得到五種路面結(jié)構(gòu)雙圓中心處沿深度的豎向壓應(yīng)力SY（沿Y 軸）如圖4 所示。由圖4 可知，在兩圓荷載下，中心點(diǎn)C 的豎向壓應(yīng)力在Y=0 時(shí)，結(jié)構(gòu)二壓應(yīng)力，其余結(jié)構(gòu)為拉應(yīng)力；五種結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力分別在瀝青層內(nèi)達(dá)到最大值；五種結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力在基層和底基層內(nèi)隨深度的增加而減小，隨著路基深度的增加，壓應(yīng)力值趨近0。整體上，瀝青層沿深度的豎向壓應(yīng)力SY（沿Y軸）最大值由小到大順序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)三＝結(jié)構(gòu)四＜結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)五＜結(jié)構(gòu)一。五種典型瀝青路面層最大壓應(yīng)力值整體上差異不大，瀝青層材料抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，易受拉開(kāi)裂和進(jìn)一步壓縮產(chǎn)生變形積累。

圖4 沿深度的豎向壓應(yīng)力SY 圖（沿Y 軸）

得到五種路面結(jié)構(gòu)的沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變EX（沿Y 軸）如圖5 所示。由圖5 可知，五種結(jié)構(gòu)在兩圓荷載下，中心點(diǎn)C 沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變?cè)赮=0 時(shí)，均為拉應(yīng)變，隨著深度的增加，先減小至0，后變?yōu)閴簯?yīng)變及拉應(yīng)變；五種結(jié)構(gòu)均在面層內(nèi)存在一個(gè)最大水平壓應(yīng)力；結(jié)構(gòu)三、結(jié)構(gòu)四沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變?cè)诨鶎禹敽吐坊敺謩e增加到一個(gè)極大值，并分別在基層和路基內(nèi)隨著深度的增加而減小，在底基層內(nèi)隨著深度的增加而增大；結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)五的沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變?cè)诼坊數(shù)玫揭粋€(gè)最大值，在路基內(nèi)隨深度增加壓應(yīng)力逐漸減??；五種結(jié)構(gòu)沿垂直行車(chē)方向的路基頂?shù)乃嚼瓚?yīng)變較大，且面層內(nèi)壓應(yīng)變較大的是結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四，較小的是結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)五。說(shuō)明推薦的FFPAP 結(jié)構(gòu)沿垂直行車(chē)方向的水平變形小，穩(wěn)定性高。整體上，瀝青層路表沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變EX（沿Y 軸）由小到大順序大致為：結(jié)構(gòu)三＜結(jié)構(gòu)四＝結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)五＜結(jié)構(gòu)一；瀝青層內(nèi)沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變EX（沿Y 軸）最大值由小到大順序大致為：結(jié)構(gòu)五＜結(jié)構(gòu)一＜結(jié)構(gòu)四=結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)三。

圖5 沿垂直行車(chē)方向的水平拉應(yīng)變EX 圖（沿Y 軸）

4 驗(yàn)算指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與分析

以湖南省某普通高速公路設(shè)計(jì)參數(shù)為例，具體見(jiàn)表2 所示，分別對(duì)五種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算與分析，結(jié)果見(jiàn)圖6 所示。由圖6 可知，在同樣的高速公路設(shè)計(jì)參數(shù)與交通荷載下，五種結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算參數(shù)差異明顯，區(qū)別如下：

圖6 五種典型結(jié)構(gòu)驗(yàn)算參數(shù)對(duì)比圖

表2 湖南某高速公路設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

對(duì)于瀝青路面路表驗(yàn)收彎沉越小要求越高。結(jié)構(gòu)五明顯小于結(jié)構(gòu)一到結(jié)構(gòu)四，結(jié)構(gòu)一、三、四基本一致，結(jié)構(gòu)二略小于結(jié)構(gòu)一、三、四，其中結(jié)構(gòu)五瀝青層厚度最大，要求最高。路表驗(yàn)收彎沉由小到大順序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)五＜結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)三＜結(jié)構(gòu)一＜結(jié)構(gòu)四。

對(duì)于瀝青層車(chē)轍或永久變形越小越好?！禞TG D50-2017 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求高速公路（一級(jí)公路）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，半剛性基層容許永久變形或車(chē)轍深度要求≤15mm、其他基層要求≤10mm，其中除了結(jié)構(gòu)一為半剛性基層，滿足≤15mm 車(chē)轍要求外，結(jié)構(gòu)二到結(jié)構(gòu)五均為柔性基層，不滿足≤10mm 車(chē)轍要求，其中結(jié)構(gòu)五最大，這也說(shuō)明JTG D50-2017 規(guī)范對(duì)于全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)永久變形驗(yàn)算指標(biāo)是不適用的。路表驗(yàn)收彎沉由小到大順序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)一＜結(jié)構(gòu)三＜結(jié)構(gòu)四＜結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)五。

對(duì)于瀝青層疲勞壽命越大越好。半剛性基層不要求驗(yàn)算瀝青層疲勞壽命，結(jié)構(gòu)二到結(jié)構(gòu)四疲勞壽命基本相當(dāng)，結(jié)構(gòu)五疲勞壽命明顯高于結(jié)構(gòu)二、三、四。瀝青層疲勞壽命由小到大順序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)三＜結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)四＜結(jié)構(gòu)五。

對(duì)于瀝青層低溫開(kāi)裂指數(shù)越低越好。結(jié)構(gòu)一低溫開(kāi)裂指數(shù)最高，表明低溫抗開(kāi)裂性能最弱；結(jié)構(gòu)五最低，表明低溫抗開(kāi)裂性能最好。瀝青層低溫開(kāi)裂指數(shù)由小到大順序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)一＜結(jié)構(gòu)三=結(jié)構(gòu)四＜結(jié)構(gòu)二＜結(jié)構(gòu)五。

綜上所述，五種結(jié)構(gòu)驗(yàn)算指標(biāo)中，綜合性能最佳順序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)五＞結(jié)構(gòu)二＞結(jié)構(gòu)三≈結(jié)構(gòu)四＞結(jié)構(gòu)一。

5 綜合分析

在同樣的交通軸載和設(shè)計(jì)條件下，綜合對(duì)路表彎沉、豎向位移、豎向壓應(yīng)力、水平拉應(yīng)變、路表驗(yàn)收彎沉、瀝青層車(chē)轍、疲勞開(kāi)裂壽命、低溫開(kāi)裂指數(shù)等八個(gè)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算與分析匯總?cè)绫? 所示，各力學(xué)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能由好到差按①②③④⑤排序，其中按①②③④⑤賦值5 分、4 分、3 分、2 分、1 分進(jìn)行得分計(jì)算，綜合力學(xué)性能由好到差排序?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)五＞≈結(jié)構(gòu)二＞結(jié)構(gòu)一＞≈結(jié)構(gòu)三＞≈結(jié)構(gòu)四。可見(jiàn)僅考慮力學(xué)因素，瀝青層厚度足夠大的長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)五、二的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于其它三種高級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)二路面總厚度高于結(jié)構(gòu)五49cm，但結(jié)構(gòu)五瀝青層厚度高于結(jié)構(gòu)二31cm，表明瀝青層厚度大比總厚度大更具優(yōu)勢(shì)；我國(guó)常用半剛性基層高速公路瀝青路面與國(guó)內(nèi)外普通高性能全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)三、四綜合力學(xué)性能相當(dāng)。

表3 五種典型高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析匯總

6 結(jié)論

研究了5 種典型的國(guó)內(nèi)外高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，通過(guò)力學(xué)分析與總結(jié)，獲得如下結(jié)論：

⑴國(guó)內(nèi)外典型高性能柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層普遍較厚，遠(yuǎn)高于我國(guó)普通高速公路瀝青路面瀝青層厚度。

⑵瀝青層厚度足夠大的長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于其它高性能瀝青路面結(jié)構(gòu)；半剛性基層瀝青路面高級(jí)路面結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)外普通高性能全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能相當(dāng)。

⑶推薦的FFPAP 全柔式長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能最佳，具有水平拉應(yīng)變小、疲勞壽命長(zhǎng)、低溫抗開(kāi)裂性能好等優(yōu)點(diǎn)，但存在豎向壓應(yīng)力大、永久變形量偏大等不足。

⑷《JTG D50-2017 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中容許永久變形量要求不適用于全柔性高性能厚瀝青路面結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算均難滿足規(guī)范要求。