林志偉 梁永存 龍威宇 韓榮杰
(1.中交一公局集團(tuán)有限公司 北京 102205; 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)
由于建設(shè)成本制約,非洲地區(qū)高速公路路面目前主要采用普通瀝青路面,這種普通的瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命往往不足[1]。為了減少瀝青路面結(jié)構(gòu)病害、延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命,世界各國(guó)相關(guān)道路專家對(duì)永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的探討研究日漸增加。高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)是永久性瀝青路面主要結(jié)構(gòu)形式之一,高模量瀝青混合料材料自身較高的強(qiáng)度、剛度,以及低空隙特性使得路面結(jié)構(gòu)具備優(yōu)秀的耐久性和抗車轍變形能力[2]。
高模量瀝青混凝土具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗車轍變形能力,但由于其模量相比普通瀝青混凝土有很大提高,導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層剛度增大,為了改善不同路面結(jié)構(gòu)剛度協(xié)調(diào)性,本文考慮在剛度較大的高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層和土基之間設(shè)置一層柔性過(guò)渡底基層,實(shí)現(xiàn)高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層和土基之間剛度逐步過(guò)渡,以期能有效改善高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能,延長(zhǎng)路面使用壽命。因此,本文定義一種新的路面結(jié)構(gòu)——全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu),其路面各結(jié)構(gòu)層全為柔性材料,面層和基層均采用高模量瀝青混凝土鋪筑,并設(shè)置柔性過(guò)渡底基層。
本文依托雅杜高速公路項(xiàng)目,參照法國(guó)規(guī)范進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)雅杜高速公路全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu),利用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型,通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析方法,對(duì)全柔性高模量瀝青路面進(jìn)行力學(xué)敏感性分析,研究在不同車輛荷載作用、結(jié)構(gòu)層材料模量,以及結(jié)構(gòu)層厚度因素下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化,并對(duì)雅杜高速公路路面結(jié)構(gòu)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。
雅杜高速公路是連接喀麥隆中央大區(qū)和濱海大區(qū)路線的重要組成部分,在喀麥隆國(guó)家干線公路網(wǎng)中承擔(dān)極其重要的作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)雅杜高速沿線重載、超載現(xiàn)象嚴(yán)重,交通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,大貨車占比69%,超載車輛占比65.3%,車輛軸載多以2軸車和3軸車為主,最大超載軸重甚至達(dá)到16.1 t,最大超載比例為89.8%??溌】拷嗟纼蓚?cè),受高溫氣候影響,瀝青路面表面溫度白天最高可達(dá)到60~70 ℃,其對(duì)路面的高溫穩(wěn)定性極為不利??紤]到喀麥隆當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和重載交通情況,國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)往往不能解決重載車輛對(duì)路面產(chǎn)生的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題,以及高溫條件產(chǎn)生的路面車轍變形問(wèn)題[3-4],為了減輕在車輛荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的塑性累積變形和疲勞開(kāi)裂,本文選擇高模量瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)的面層和基層材料,形成全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)層,提高雅杜高速瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能。根據(jù)法國(guó)路面設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用Alize軟件進(jìn)行驗(yàn)算,初步擬定雅杜高速公路路面結(jié)構(gòu)形式為:6 cm BBME1面層+7 cm EME2上基層+7 cm EME2下基層+20 cm級(jí)配碎石底基層。
結(jié)合雅杜高速公路的實(shí)際工程情況,在土基上鋪筑有50 cm的紅土礫石作為PST路床。全柔性高模量瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的厚度、彈性模量及泊松比見(jiàn)表1。
表1 全柔性高模量瀝青路面各結(jié)構(gòu)層厚度、彈性模量及泊松比
根據(jù)瀝青混凝土材料的黏彈性特點(diǎn),采用ABAQUS中的硬化蠕變模型,該模型將瀝青混凝土的變形看作時(shí)間和應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)非線性蠕變回歸系數(shù)模擬瀝青層變形,其表達(dá)式見(jiàn)(1)。
εcr=Aσmtn
(1)
式中:εcr為蠕變應(yīng)變速率;σ為蠕變應(yīng)力;t為蠕變加載作用時(shí)間;A、m、n為材料蠕變回歸系數(shù)。
得出各瀝青層材料蠕變回歸系數(shù)見(jiàn)表2。
表2 各瀝青層材料蠕變回歸系數(shù)
有限元計(jì)算取一個(gè)適度大小的模型[5],行車方向Z取長(zhǎng)度6 m、路面橫斷面方向X取6 m,路基深度方向Y取5 m。邊界條件為底部固定、側(cè)向水平方向位移為0。對(duì)路面結(jié)構(gòu)各計(jì)算區(qū)塊采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖1。以雙輪組單軸載100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載,每個(gè)輪壓強(qiáng)為0.7 MPa。
圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型
1)水平剪應(yīng)力。路面結(jié)構(gòu)中過(guò)大的剪應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂縫破壞和車轍變形[6]。裂縫的產(chǎn)生主要是路面結(jié)構(gòu)層豎向剪應(yīng)力和水平剪應(yīng)力引起的,失穩(wěn)型車轍形成的主要原因是水平剪應(yīng)力,本文以面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力為失穩(wěn)型車轍的計(jì)算指標(biāo)。
2)豎向壓應(yīng)力。過(guò)大的豎向壓應(yīng)力是引起路面車轍產(chǎn)生的另一個(gè)重要因素,當(dāng)車輛荷載較大時(shí),受到過(guò)大壓應(yīng)力的路面發(fā)生豎向壓縮變形,經(jīng)過(guò)日積月累地塑性變形,最后形成流動(dòng)型車轍,本文以面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力作為流動(dòng)型車轍的計(jì)算指標(biāo)。
3)層底拉應(yīng)力。過(guò)大的層底拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生疲勞開(kāi)裂,因此,需要計(jì)算分析基層層底最大拉應(yīng)力的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的影響。
全柔性瀝青路面最常見(jiàn)的路面病害為疲勞開(kāi)裂和車轍永久變形,這2種病害的產(chǎn)生與力學(xué)響應(yīng)直接相關(guān),受到路面結(jié)構(gòu)形式、材料力學(xué)性能,以及車輛荷載作用影響。重交通造成的瀝青路面損壞已經(jīng)非常普遍,研究不同車輛荷載作用下[7],全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,分析全柔性高模量瀝青路面在抗車轍和抗疲勞方面的作用效果。車輛荷載采用雙輪組單軸載100,130,160,190和220 kN的5種工況,其他計(jì)算參數(shù)不變,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 車輛荷載對(duì)全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響
由表3可知,瀝青面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力隨車輛荷載的增加而增大,車輛荷載每增加30 kN,瀝青面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力也隨之增加30.2%,輪載從100 kN增加至220 kN時(shí),瀝青面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力增加了120%,下基層層底拉應(yīng)力增加了136%,使得下基層區(qū)域成為最不利區(qū)域。因此,超載、重載車輛成為路面產(chǎn)生病害的主要原因,在不斷提高瀝青路面自身性能的同時(shí),避免車輛超載、重載對(duì)延長(zhǎng)路面使用壽命意義重大。
瀝青混凝土是典型的熱流變材料,其力學(xué)性能參數(shù)受到環(huán)境影響較大,特別是受到溫度影響會(huì)發(fā)生模量變化。因此,對(duì)全柔性高模量瀝青路面面層和基層的彈性模量等力學(xué)參數(shù)要展開(kāi)敏感性分析。面層直接接觸車輪且長(zhǎng)期受到紫外線的照射,使瀝青混凝土面層更容易受到溫度影響產(chǎn)生模量變化,面層模量采用5 000,6 500,8 000,9 500和11 000 MPa 5種工況,其他計(jì)算參數(shù)不變,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 面層模量對(duì)全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響
由表4可知,增加面層模量對(duì)面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力影響很小,這是由于瀝青混凝土的力學(xué)性能較為特殊,在多數(shù)情況下表現(xiàn)為黏彈性,瀝青混凝土受到荷載作用時(shí)首先發(fā)生彈性變形進(jìn)而產(chǎn)生黏彈性變形,卸載后黏塑性變形因無(wú)法恢復(fù)而形成永久變形,因此面層模量與面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力不存在線性相關(guān)。當(dāng)面層模量從5 000 MPa增加至11 000 MPa,路面結(jié)構(gòu)中面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力減小了0.5%,而下基層層底最大拉應(yīng)力增加了0.06 kPa。因此,無(wú)論是從抗車轍變形還是從抗疲勞性能考慮,通過(guò)增加面層模量來(lái)改善全柔性高模量瀝青路面的使用性能并不合適,還需要分析基層模量對(duì)全柔性高模量瀝青路面的應(yīng)力影響。
基層是產(chǎn)生最大拉應(yīng)力的主要區(qū)域,而過(guò)大的拉應(yīng)力是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂、產(chǎn)生反射裂縫和水損壞的主要原因。因此,基層在保持較好承載力的同時(shí)也需要具有良好的抗疲勞性能?;鶎幽A坎捎? 000,11 000,13 000,15 000和17 000 MPa 5種工況,其他計(jì)算參數(shù)不變,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 基層模量對(duì)全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響
由表5可知,隨著基層模量的增加,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力也隨之減小,基層模量從9 000 MPa增加至17 000 MPa,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力減小了0.036 kPa,增加基層模量對(duì)于減小面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力效果一般?;鶎幽A吭黾恿? 000 MPa,面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力增加了0.3 kPa。說(shuō)明通過(guò)增加基層模量,雖然無(wú)法減小面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力,但是增加基層模量可以減小路面下部區(qū)域即基層和底基層的豎向壓應(yīng)力,可以有效降低下基層層底拉應(yīng)力值,當(dāng)基層模量達(dá)到15 000 MPa,下基層層底拉應(yīng)力減小速度最快,達(dá)到了6%。當(dāng)基層模量超過(guò)15 000 MPa時(shí),下基層層底拉應(yīng)力減小速度開(kāi)始變慢,說(shuō)明基層模量達(dá)到15 000 MPa,路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞開(kāi)裂性能較好,通過(guò)在瀝青碎石基層中摻入高模量劑提高基層動(dòng)態(tài)模量具有可行性。隨著下基層層底拉應(yīng)力減小,基層發(fā)生疲勞開(kāi)裂的概率也大大降低,延長(zhǎng)了基層的使用壽命,進(jìn)而延長(zhǎng)了全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命。
研究不同結(jié)構(gòu)層厚度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,確定具備最佳力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)厚度。通過(guò)研究不同面層厚度下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng),分析厚度在抗車轍和抗疲勞方面的效果。面層厚度采用5,6,7,8,9和10 cm 6種工況,其他計(jì)算參數(shù)不變,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 面層厚度對(duì)全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響
由表6可知,增加面層的厚度使得面層內(nèi)水平剪應(yīng)力不斷減小,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力分別減少了10.78%,5.07%,3.96%,3.17%和2.96%。表明隨著面層厚度的增加,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力減小速度越來(lái)越小,在一定范圍內(nèi)增加面層厚度可以有效減少失穩(wěn)型車轍病害的發(fā)生。面層厚度從5 cm增加至10 cm,面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力減小了1.4%,表明通過(guò)增加面層厚度來(lái)減小面層內(nèi)豎向壓應(yīng)力峰值作用很小,減小面層內(nèi)豎向壓應(yīng)力的速度較慢,且減小效果差。當(dāng)面層厚度為6 cm時(shí),面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力最小,為114.646 kPa。面層厚度從5 cm增加至10 cm,下基層層底最大拉應(yīng)力減小了4.16%。通過(guò)增加面層厚度,雖然能夠減小下基層層底拉應(yīng)力,但是減小速度較小,效果一般。無(wú)論是從路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果還是路面建設(shè)成本來(lái)看,采用增加面層厚度對(duì)增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)抗疲勞效果均不理想。從水平剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力和下基層層底拉應(yīng)力來(lái)看,建議面層最佳厚度取為6 cm。
增加面層厚度對(duì)減小路面車轍變形和疲勞開(kāi)裂效果并不明顯,通過(guò)研究采用不同厚度的上基層對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)的響應(yīng)影響,研究上基層厚度增加對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提高的效果。上基層厚度采用6,7,8,9,10和11 cm 6種工況,其他計(jì)算參數(shù)不變,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 基層厚度對(duì)全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響
由表7可知,上基層厚度從6 cm增加至11 cm,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力減少了13.8%。通過(guò)增加上基層厚度來(lái)提高路面面層的抗剪性能效果較好。上基層厚度從6 cm增加至11 cm,面層內(nèi)豎向壓應(yīng)力最大值減小了0.72%,增加上基層厚度對(duì)增強(qiáng)路面抵抗豎向壓應(yīng)力效果一般。上基層厚度從6 cm增加至9 cm,下基層層底拉應(yīng)力逐漸減小。而上基層厚度從10 cm增加至11 cm,下基層層層底拉應(yīng)力開(kāi)始逐漸增大。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加上基層的厚度對(duì)于緩解下基層層底拉應(yīng)力具有一定效果,但是不能將下基層層底拉應(yīng)力變得足夠小,無(wú)法完全避免路面基層因?yàn)槔瓚?yīng)力過(guò)大產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂及自下而上的反射裂縫的產(chǎn)生。綜上所述,從水平剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力和下基層層底拉應(yīng)力3個(gè)控制指標(biāo)出發(fā),上基層采用9 cm時(shí),路面結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞效果,為了進(jìn)一步研究車轍變形和疲勞開(kāi)裂等路面病害,下文通過(guò)分析不同下基層厚度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,以選取合適的下基層厚度。
基層作為直接接觸底基層的結(jié)構(gòu)層,過(guò)薄的下基層無(wú)法抵抗疲勞開(kāi)裂,采用不同厚度的下基層分析路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,研究下基層厚度增加對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提高的效果。下基層厚度采用7,8,9和10 cm 4種工況,其他計(jì)算參數(shù)不變,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力、面層內(nèi)最大豎向壓應(yīng)力和下基層層底最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表8。
表8 下基層厚度對(duì)全柔性高模量瀝青路面應(yīng)力的影響
由表8可知,下基層厚度從7 cm增加至10 cm,面層內(nèi)最大水平剪應(yīng)力從104.457 kPa減少到93.657 kPa,減少了10.35%。隨著下基層厚度的增加,下基層層底拉應(yīng)力也逐漸減小。下基層厚度從7 cm增加至10 cm,下基層層底拉應(yīng)力減小了2.2%。
通過(guò)分析不同下基層厚度的全柔性高模量瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)增加下基層厚度,對(duì)于減少路面產(chǎn)生失穩(wěn)型車轍作用效果較好,同時(shí)也可以降低下基層層底拉應(yīng)力,減少下基層疲勞開(kāi)裂和反射裂縫的產(chǎn)生。因此,可以適當(dāng)增加下基層厚度,建議取10 cm。
根據(jù)全柔性高模量瀝青路面力學(xué)響應(yīng)影響結(jié)果,確定了雅杜高速公路最佳路面結(jié)構(gòu)方案。按照6 cm+9 cm+10 cm瀝青層厚度進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑,為驗(yàn)證全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)的合理性和路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,在試驗(yàn)路K0+170和K0+330 2個(gè)樁號(hào)下基層層底埋設(shè)壓力盒和光柵應(yīng)變傳感器,檢測(cè)全柔性高模量瀝青路面下基層的豎向壓應(yīng)力和下基層層底的水平拉應(yīng)變[8]。
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]可知,最大剪應(yīng)力與車轍變形隨著行車速度的增加而減小。雅杜高速設(shè)計(jì)車速為80 km/h,根據(jù)路面結(jié)構(gòu)埋設(shè)的觀測(cè)元件數(shù)據(jù)采集靈敏度要求,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多種行車速度條件下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),加載車輛以60 km/h的速度通過(guò),各觀測(cè)元件采集的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定,因此,本文采用標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN的加載車輛以60 km/h的速度勻速通過(guò)試驗(yàn)路各檢測(cè)點(diǎn),采集路面結(jié)構(gòu)層底水平拉應(yīng)變力學(xué)響應(yīng)指標(biāo),由各檢測(cè)點(diǎn)的壓力盒和光柵應(yīng)變傳感器得到的下基層層底水平拉應(yīng)變及豎向壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值結(jié)果見(jiàn)表9。
表9 下基層層底水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值
由表9可知,2個(gè)樁號(hào)的路面下基層層底均出現(xiàn)水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力,說(shuō)明雅杜高速公路試驗(yàn)路全柔性高模量瀝青面下基層層底處于受拉狀態(tài),當(dāng)下基層層底拉應(yīng)變過(guò)大時(shí),全柔性高模量瀝青路面下基層層底仍會(huì)產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。同時(shí),豎向壓應(yīng)力也是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流動(dòng)型車轍的主要原因。實(shí)測(cè)的水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力與仿真模擬計(jì)算的理論值比較接近,實(shí)測(cè)值略大于理論值,水平拉應(yīng)變誤差范圍為17%~25%,豎向壓應(yīng)力的誤差范圍為9%~16%。這說(shuō)明雅杜高速公路全柔性高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確和可靠,全柔性高模量瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)的取值較為合理。
本研究利用ABAQUS有限元分析軟件,通過(guò)對(duì)全柔性高模量瀝青路面進(jìn)行黏彈性分析,分析了不同車輛荷載作用、材料模量、結(jié)構(gòu)層厚度變化下,全柔性高模量瀝青路面的力學(xué)響應(yīng),優(yōu)化了雅杜高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行試驗(yàn)路使用效果檢測(cè),得出以下結(jié)論。
1)車輛荷載、瀝青層厚度和瀝青層模量的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響大小排序?yàn)椋很囕v荷載、瀝青層厚度、瀝青層模量,按其影響大小排序確定各結(jié)構(gòu)層厚度,選擇采用6 cm+9 cm+10 cm的瀝青層組合厚度。
2)試驗(yàn)路觀測(cè)結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下全柔性高模量瀝青路面下基層層底水平拉應(yīng)變和豎向壓應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論值誤差范圍較小,全柔性高模量瀝青路面力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果較為合理、可靠。