于恒峰 王玉平

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽建工技師學(xué)院，安徽 合肥 230088）

0 引言

針對(duì)高速公路早期損壞問題，業(yè)內(nèi)對(duì)路面結(jié)構(gòu)形式、新型路面材料等方面開展了許多研究，直投式高模量瀝青混合料便是其中之一。該材料在歐洲國(guó)家應(yīng)用已有30多年，但在我國(guó)的應(yīng)用尚處于初期階段。本文對(duì)高模量典型路面結(jié)構(gòu)在面層模量、面層厚度、荷載等因素變化條件下各個(gè)力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，旨在為該種材料的使用提供一定的技術(shù)支持。

1 高模量典型路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

1.1 典型路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

典型路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示。

表1 典型路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型計(jì)算尺寸及假設(shè)條件

由于受模型尺寸的限制，在進(jìn)行ANSYS分析時(shí)，模型的尺寸不能無(wú)窮大[1]。因此，計(jì)算模型尺寸要在滿足計(jì)算精度的前提下盡可能小，以減少計(jì)算工作量。在行車荷載作用處單元網(wǎng)格劃分加密，考慮到計(jì)算速度和計(jì)算量，在其他部分適當(dāng)粗化。

網(wǎng)格劃分如下：面層荷載作用區(qū)與非荷載區(qū)尺寸分別為0.02m×0.02m、0.05m×0.02m；水穩(wěn)層荷載區(qū)與非荷載區(qū)的尺寸分別為0.1m×0.02m、0.lm×0.05m；地基荷載區(qū)與非荷載區(qū)的尺寸分別為0.2m×0.02m、0.2m×0.05m。

建模過(guò)程路基深度取2m，長(zhǎng)度取3m，寬度取5m。其中X軸代表路面橫向，Y軸代表行車方向，Z軸代表深度方向，計(jì)算采用solid45實(shí)體單元。

計(jì)算采用以下假設(shè)為前提：

（1）各層連續(xù)、完全彈性且各向同性；

（2）各層為厚度有限、水平無(wú)限，但底層在各方向?yàn)闊o(wú)限大；

（3）各層水平方向無(wú)限遠(yuǎn)處各指標(biāo)為零，最下一層無(wú)限深處各指標(biāo)為零；

（4）各層均不計(jì)算其自重。

1.3 荷載作用方式

輪胎荷載在路面上的分布是不均勻的，但現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和測(cè)試手段及軟件均難以模擬這種不均勻荷載，同時(shí)高模量混合料本身是一種彈性材料，不均勻荷載作用其上時(shí)會(huì)發(fā)生受力的重新分布，所以，常常將荷載簡(jiǎn)化為矩形的均勻荷載，以方便計(jì)算。

本文計(jì)算時(shí)荷載采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)荷載BZZ-100，輪胎標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)采用0.7MPa。

2 高模量層模量的影響

瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生車轍的主要結(jié)構(gòu)層為中面層，所以為控制車轍的產(chǎn)生，可提高中面層的模量和抗剪切強(qiáng)度，因此，對(duì)高模量層的模量敏感性進(jìn)行分析，模量取值范圍1.0×104～1.9×104MPa，以1.0×103MPa為間距，分析荷載中心下應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)的變化情況，以便確定較為合理的混合料模量范圍[2]。

由圖1可知，隨著中面層模量的增加，上面層壓應(yīng)力逐漸減小，且減小趨勢(shì)逐漸減緩，中面層應(yīng)力隨中面層模量的增加基本成線性增加，且由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，由于下基層拉應(yīng)力基本無(wú)變化，在模量為1.7×104MPa時(shí)，整個(gè)路面結(jié)構(gòu)中的最大拉應(yīng)力已由下基層轉(zhuǎn)移至中面層，因此，中面層模量不宜超過(guò)1.7×104MPa。其他各層應(yīng)力均隨著中面層模量的增加而減小。

圖1 應(yīng)力隨中面層模量的變化趨勢(shì)

與應(yīng)力變化趨勢(shì)類似，上面層壓應(yīng)變隨著中面層模量的增加不斷減小，且減小趨勢(shì)逐漸減緩，中面層應(yīng)變隨中面層模量的增加先增加后減小，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在中面層，其余應(yīng)變?cè)谥忻鎸幽Ａ孔兓瘯r(shí)均略有減小[3]。

由圖2 可知，隨著中面層模量的增加，當(dāng)中面層模量從1.0×104MPa 增加到1.9×104MPa 時(shí)，剪應(yīng)力最大值增大36.6%。因此，從有利于中面層及各結(jié)構(gòu)層受力的角度上來(lái)說(shuō)，高模量路面的模量也不宜過(guò)高。且剪應(yīng)力最大值由中面層頂面轉(zhuǎn)移到中面層下部，位置發(fā)生了變化。

圖2 最大剪應(yīng)力隨中面層模量的變化趨勢(shì)

各結(jié)構(gòu)層的變形均隨高模量層模量的增加逐漸減小，但減小的趨勢(shì)由快到慢，因此，從有利于中面層變形上來(lái)說(shuō)，高模量層的模量也不宜過(guò)高。

由上述分析可以看出，增大高模量層的模量可以有效改善路面的受力和變形，但高模量層的模量達(dá)到一定數(shù)值之后，各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨于變緩，表明結(jié)構(gòu)層抵抗變形的能力已不明顯。因此，存在一個(gè)合適的高模量層模量區(qū)間，考慮工程成本，建議高模量層模量區(qū)間為1.4×104~1.7×104MPa。

3 瀝青面層厚度的影響

提高高模量層的厚度，可有效降低面層的最大剪應(yīng)力和變形，提高路面結(jié)構(gòu)的耐久性，但同時(shí)考慮到生產(chǎn)成本，厚度不宜過(guò)厚，否則將增加工程的整體造價(jià)，中面層厚度取值范圍4～12cm，下面層厚度取值范圍6～15cm，以1cm 為間距，分析荷載中心下的應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，以便確定較為合理的高模量層厚度范圍。

隨著高模量層厚度的增加，高模量層的應(yīng)力不斷增加，由圖3可以看出，當(dāng)高模量層厚度>8cm 時(shí)，應(yīng)力增加幅度逐漸減緩；隨高模量層厚度的增加，上面層應(yīng)力略有增加，高模量層以下層位的應(yīng)力均略有減小，這是由于上面層為直接承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)層，高模量層的模量較高，厚度增加時(shí)形成的硬殼層變厚，導(dǎo)致荷載難以傳遞到高模量層以下層位。

圖3 應(yīng)力隨中面層厚度的變化趨勢(shì)

與應(yīng)力變化趨勢(shì)類似，隨著中面層厚度的增加，下面層應(yīng)變逐漸減小；中面層應(yīng)變先增加后減小，其余各層應(yīng)變變化不大。

隨著中面層厚度的增加，瀝青路面內(nèi)剪應(yīng)力變化不大，但中下面層剪應(yīng)力減小較快，因此，可采用增加高模量層的厚度以達(dá)到減小中面層剪應(yīng)力的效果。當(dāng)高模量層厚度為10cm 左右時(shí)，最大剪應(yīng)力在上面層出現(xiàn)，高模量層厚度繼續(xù)增加，最大剪應(yīng)力一致位于上面層，但數(shù)值變化不大。由此可以看出，增加高模量層厚度，可減小最大剪應(yīng)力，減小路面車轍的發(fā)生，但高模量層過(guò)厚時(shí)，其減小剪應(yīng)力的效果已經(jīng)不明顯，且高模量材料較普通混合料價(jià)格要高，經(jīng)濟(jì)上也不具有優(yōu)勢(shì)。所以，兼顧路面的受力和工程的經(jīng)濟(jì)性，高模量層厚度建議為6~8cm。

各層變形隨中面層模量的增加逐漸減小，且減小趨勢(shì)逐漸變慢，因此，中面層的厚度也不能過(guò)大。最大剪應(yīng)力隨中面層厚度的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 最大剪應(yīng)力隨中面層厚度的變化趨勢(shì)

4 荷載因素的影響

典型車型隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展不斷變化，目前朝著大型化和小型化兩個(gè)方向發(fā)展，中等型號(hào)的車輛由于經(jīng)濟(jì)性不佳，而逐漸減少。重型車輛由于具有重量大、載貨多等特點(diǎn)，也給路面帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，容易導(dǎo)致車轍、剪切破壞等早期病害。

為了分析高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)在重載車輛作用下的變形特點(diǎn)，采用前述模型計(jì)算在100kN、130kN、150kN、180kN、200kN、230kN、250kN、280kN、300kN 軸載作用下，路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。重載換算方法采用H-K方法[4]。

不同軸荷載作用下，上面層處于受壓狀態(tài)，隨著深度的增加，輪隙中心下的壓應(yīng)力迅速增大；中面層拉應(yīng)力逐漸減小，并由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力?；鶎拥谆鶎泳幱谑芾瓲顟B(tài)，且隨著荷載的增加明顯增大，最大值始終出現(xiàn)在下基層底面（如圖5所示），底基層拉應(yīng)力數(shù)值與下基層相近。

圖5 應(yīng)力隨荷載的變化趨勢(shì)

上面層壓應(yīng)變隨著荷載的增加而增加，中面層拉應(yīng)變隨著荷載的增加先增加后減小，但變化幅度較小，下基層、底基層、功能層的壓應(yīng)變隨著荷載的增加而增加，且變化幅度較大，底基層、功能層的壓應(yīng)變很快超過(guò)了中面層，荷載較大時(shí)，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在功能層。

由圖6可以看出，面層內(nèi)剪應(yīng)力隨荷載的增大而不斷增加，荷載增加時(shí)高模量層產(chǎn)生的流動(dòng)性車轍將變大，且最大剪應(yīng)力主要位于4~10cm范圍，主要是中面層范圍內(nèi)，因此，中面層混合料應(yīng)具有良好的抗車轍性能。

圖6 最大剪應(yīng)力隨荷載的變化趨勢(shì)

隨著荷載的增加，各層變形成線性增加，且變形增加倍數(shù)與荷載增加倍數(shù)基本相同。如荷載從100kN 增大至300kN，荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載的3倍，路表變形為標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的2.75倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，得出如下結(jié)論：

（1）以1.0×103MPa為間距，分析了不同模量下的高模量路面結(jié)構(gòu)各層的力學(xué)響應(yīng)，根據(jù)各層應(yīng)力、應(yīng)變、剪應(yīng)力和變形的變化趨勢(shì)，建議高模量范圍為1.4×104~1.7×104MPa。

（2）分析了不同厚度高模量層下的路面結(jié)構(gòu)各層的力學(xué)響應(yīng)，根據(jù)各層應(yīng)力、應(yīng)變、剪應(yīng)力和變形的變化趨勢(shì)，建議高模量中面層厚度范圍為6cm左右。

（3）分析了不同軸載作用下的路面結(jié)構(gòu)各層的力學(xué)響應(yīng)，隨著荷載的增加，上面層壓應(yīng)力和壓應(yīng)變隨著荷載的增加迅速增大；中面層隨著荷載的增加，逐漸由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力?；鶎拥谆鶎泳幱谑芾瓲顟B(tài)，且隨著荷載的增加而增大，最大拉應(yīng)力始終出現(xiàn)在下基層底面。各層變形呈線性增加，且變形增加倍數(shù)與荷載增加倍數(shù)基本相同。