蔡州鵬

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

0 引言

我國高等級公路具有交通量大、重載車輛多等特點，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 、流動型車轍［1］。目前，我國高等級公路的流動型車轍現(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。實驗階段（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性車轍問題，該階段鋪筑了眾多高模量瀝青混凝土試驗段并進行后期的跟蹤評價。推廣階段（2009年至今）：高模量瀝青混凝土被證實作為路面結(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軟件對兩種路面結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析和對比。

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，也不能相對滑動，因此會在接觸面出現(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度。高模量瀝青混合料具有以下幾點特性：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，可實現(xiàn)一次攤鋪，與常規(guī)的瀝青混合料相比，可避免因分層壓實造成層間界面不連續(xù)而延誤開放交通時間等問題。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，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 模型幾何及計算點位確定

本文將應(yīng)用3D-Move Analysis 路面結(jié)構(gòu)分析軟件，對新型高模量瀝青混合料與傳統(tǒng)普通模量瀝青混合料對應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進行分析，設(shè)計荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎接地壓強p=700 kPa，當(dāng)量圓直徑2=21.6 cm，計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??；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，會讓向下變形受到限制而產(chǎn)生向上凸起現(xiàn)象。進行力學(xué)響應(yīng)計算時，沿X行車方向拾取點位的間距為10.8 cm，共5 個計算點位（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方向拾取點位的間距為5.326 cm，共20 個計算點位（含路面結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力最大值處A、B、C 和D 4個點）。

圖1 X-Y平面應(yīng)力計算點位分布示意圖

圖2 Y-Z平面應(yīng)力計算點位分布示意圖

2 高模量瀝青路面應(yīng)力響應(yīng)分析

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

從兩種路面結(jié)構(gòu)典型點位分別對A點、B點、C點、D點進行計算，路面深度的正應(yīng)力分布點次序如圖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，因此增強瀝青層的抗變形能力，減少運行后期出現(xiàn)鼓包、車轍、坑槽等病害的風(fēng)險。

在道路的行車方向，路表A點在瀝青路面沿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橫斷面均有擴散分布，增大了瀝青路面表面層的變形風(fēng)險，對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，進一步預(yù)防連接層以下的結(jié)構(gòu)性損壞，要有針對性、預(yù)防性和有計劃地養(yǎng)護補救表面層的損壞，因此可運用于重交通或高等級公路項目當(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，對新型高模量瀝青混合料和傳統(tǒng)普通模量瀝青混合料對應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)進行分析，主要結(jié)論如下。

（1）中面層采用高模量瀝青對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。對中下面層層底的應(yīng)力消減作用顯著，增強了瀝青層的抗變形能力，減少了公路運行后期出現(xiàn)鼓包、車轍、坑槽等病害的風(fēng)險。

（2）兩種路面結(jié)構(gòu)沿Z方向的正應(yīng)力均以X軸對稱分布，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)力分布擴散，增加瀝青面層變形風(fēng)險。