摘要：文章為了研究廣西大厚度柔性路面耐久性結(jié)構(gòu)，以田新高速公路項(xiàng)目為載體鋪筑試驗(yàn)路段并開展了試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)的選型。采用麥路軟件進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算與力學(xué)分析，分別選取了田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)、廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段一和試驗(yàn)段二、山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)等四種典型結(jié)構(gòu)，采用田新高速公路交通設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算并對(duì)比分析了各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)三種大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉、豎向位移、豎向壓應(yīng)力、水平拉應(yīng)變各力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算并分析了分布規(guī)律。結(jié)果表明：瀝青混合料層厚度大的柔性路面結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于厚度小的柔性路面結(jié)構(gòu)；規(guī)范中容許永久變形量要求不適用于大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)；推薦的廣西大厚度柔性路面耐久性試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)具有水平拉應(yīng)變小、疲勞壽命長(zhǎng)、低溫抗開裂性能好等特點(diǎn)，綜合力學(xué)性能較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)；離散元；力學(xué)性能；麥路軟件

中圖分類號(hào)：U416.221

0 引言

瀝青路面是一種路用性能優(yōu)異并被廣泛應(yīng)用的高級(jí)路面類型，隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高瀝青路面耐久性或使用壽命已成為我國(guó)道路領(lǐng)域的重要任務(wù)［1］。不同國(guó)家瀝青路面結(jié)構(gòu)的材料組成、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及控制指標(biāo)各有不同［2］，因此耐久性瀝青路面典型結(jié)構(gòu)各具特色。國(guó)內(nèi)針對(duì)典型半剛性基層瀝青路面也開展了延長(zhǎng)壽命的研究［3］，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了各類耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究［4-6］。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來開展了大量的研究，也鋪筑了多條試驗(yàn)路段，取得了一定的研究成果，但整體上并未提出國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的、統(tǒng)一的長(zhǎng)壽命或耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)組成。本研究基于廣西大厚度柔性路面工程應(yīng)用技術(shù)研究項(xiàng)目，依托田新高速公路項(xiàng)目開展試驗(yàn)段研究，基于田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)和國(guó)內(nèi)具有代表性的耐久性柔性路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)，共計(jì)四種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)開展了設(shè)計(jì)參數(shù)與力學(xué)響應(yīng)的對(duì)比分析研究，為更科學(xué)選擇優(yōu)質(zhì)大厚度柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)提供重要參考。

1 路面結(jié)構(gòu)方案

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外耐久性大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查［7-8］，結(jié)合田新高速公路項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)［9］和廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到試驗(yàn)路段實(shí)施可行性，并與原路面結(jié)構(gòu)施工的有機(jī)銜接。試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)如下頁表1所示，結(jié)構(gòu)層厚度保持與田新高速公路一致性，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一將原田新高速公路的上基層20 cm5%水泥穩(wěn)定碎石變更為20 cm ATB-25，將原結(jié)構(gòu)18 cm的瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)變更為合計(jì)38 cm瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二在試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上將墊層材料由16 cm級(jí)配碎石層變更為4％水泥穩(wěn)定層，屆時(shí)在兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)中優(yōu)選。兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)均符合大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且ATB-25較普通瀝青混合料類型級(jí)配粗大、瀝青用量少、結(jié)構(gòu)密實(shí)，將原半剛性上基層調(diào)整為柔性上基層，整體路面結(jié)構(gòu)受力性能得到優(yōu)化。

為更好地分析大厚度柔性路面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用已修建且結(jié)構(gòu)相近的山東研究推廣應(yīng)用的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)［10］（設(shè)計(jì)壽命gt;30年）參與對(duì)比分析。各結(jié)構(gòu)層材料及參數(shù)均見下頁表1。

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（見下頁圖1），符合我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）。設(shè)計(jì)與計(jì)算用的標(biāo)準(zhǔn)軸載為0.7 MPa，雙圓荷載半徑為0.106 5 m，兩輪中心距為0.319 5 m，層間完全連續(xù)。坐標(biāo)原點(diǎn)在雙圓荷載的中心點(diǎn)，坐標(biāo)軸[WTB1X]X軸、[WTB1X]Y軸與[WTB1X]Z軸分別對(duì)應(yīng)著路面模型的垂直行車方向、豎直方向、沿行車方向。

3 計(jì)算分析條件

3.1 氣候、氣象條件

廣西田新高速公路項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。年日照時(shí)數(shù)gt;1 600 h，1月平均氣溫為13.8 ℃，7月平均氣溫為28.1 ℃，年平均氣溫為20.8 ℃～22.4 ℃，年無霜期gt;340 d，年降雨量gt;1 200 mm。全年夏長(zhǎng)冬短，光照充足，且光、水同季。

3.2 交通參數(shù)

根據(jù)廣西田新高速公路項(xiàng)目工可報(bào)告資料，本項(xiàng)目車型比例值及交通量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。路面設(shè)計(jì)所采用的交通量數(shù)據(jù)根據(jù)工程可行性研究報(bào)告中“交通量分析與預(yù)測(cè)”作為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 瀝青層疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次

由圖2可知，四種路面結(jié)構(gòu)中瀝青層底疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次值從大到小順序?yàn)椋涸囼?yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）gt;試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）gt;對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）gt;田新高速公路結(jié)構(gòu)（田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）的瀝青層抗疲勞開裂性能最好，其次是試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）。其中，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一中面層的層底疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次是田新高速公路結(jié)構(gòu)的2.2倍，上面層的層底疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次與田新高速公路結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

可見，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)結(jié)構(gòu)一、二瀝青層的層底疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次均高于田新高速公路結(jié)構(gòu)，且高于山東研究推廣應(yīng)用的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)壽命gt;30年），表明兩種試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)均符合耐久性、長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)的瀝青路面疲勞壽命要求。

4.2 半剛性層疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次

由圖3可知，四種路面結(jié)構(gòu)中半剛性基層疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次值從大到小的順序?yàn)椋涸囼?yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）gt;對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）gt;試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）gt;田新高速公路結(jié)構(gòu)（田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二的半剛性基層抗疲勞開裂性能最好。

可見，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)結(jié)構(gòu)一、二半剛性基層的層底疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次均高于田新高速公路結(jié)構(gòu)，其中試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二高于山東研究推廣應(yīng)用的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)。

4.3 低溫開裂指數(shù)

由圖4可知，四種路面結(jié)構(gòu)中半剛性基層疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次值從小到大順序?yàn)椋涸囼?yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）=試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）lt;比選結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）lt;田新高速公路結(jié)構(gòu)（田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一、二的抗低溫開裂最好。

4.4 路基頂豎向壓應(yīng)變

由圖5可知，四種路面結(jié)構(gòu)中半剛性基層疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次值從大到小順序?yàn)椋禾镄赂咚俟方Y(jié)構(gòu)（田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)）gt;試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）gt;對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）gt;試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一、二的路基頂面豎向壓應(yīng)變比田新高速公路結(jié)構(gòu)更小、更優(yōu)，對(duì)比結(jié)構(gòu)的路基頂面豎向壓應(yīng)位于試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二和試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一之間，其中試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二最小、最好。

4.5 瀝青層車轍

由圖6可知，四種路面結(jié)構(gòu)瀝青層車轍深度從大到小順序?yàn)椋涸囼?yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）＝試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）gt;田新高速公路結(jié)構(gòu)（田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)）gt;對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一、二的瀝青層車轍深度比其他兩種方案稍大，原因在于這兩種結(jié)構(gòu)的瀝青層總厚度大于其他兩種方案，今后車轍變形相對(duì)要大。

5 力學(xué)規(guī)律比對(duì)分析

對(duì)表1中的廣西大厚度柔性瀝青路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一、二，和山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)規(guī)律比對(duì)分析，結(jié)果見下頁圖7～10。

由圖7可知，在兩圓荷載作用下，三種結(jié)構(gòu)的路表豎向位移由大到小排序?yàn)椋涸囼?yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）gt;對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）gt;試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二的路面剛度最大，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一的路面剛度最小。

由圖8可知，在兩圓荷載作用下，三種結(jié)構(gòu)沿深度的豎向位移由大到小排序?yàn)椋涸囼?yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）gt;對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）gt;試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）。力學(xué)分析表明，同等交通量下，擬選廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二的路面剛度最大，試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一的路面剛度最小。

由圖9可知，在兩圓荷載下，三種結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力均在面層內(nèi)達(dá)到最大值，在基層和底基層內(nèi)隨深度的增加而減小，并且都在路基頂接近0；隨著路基深度的增加，壓應(yīng)力值接近0，三種結(jié)構(gòu)規(guī)律具有一致性，且值大小基本一致。

由圖10可知，三種結(jié)構(gòu)在兩圓荷載下中心點(diǎn)C的豎向壓應(yīng)變?cè)诼繁砭鶠閴簯?yīng)變；隨著深度的增加，先減小至0，后變?yōu)槔瓚?yīng)變?cè)贉p小為壓應(yīng)變；三種結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力在路基頂突增達(dá)到一個(gè)極大值。在瀝青層以上，三者結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能相當(dāng)；在瀝青層下，力學(xué)性能最好的依次是試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)二）、對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)）、試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一（擬選廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)一）。

6 結(jié)語

本文以田新高速公路路面結(jié)構(gòu)為載體，開展了廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)選型，分析了四種典型的國(guó)內(nèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)及三種柔性路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能規(guī)律，獲得如下結(jié)論：

（1）廣西大厚度柔性路面試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一、二的瀝青層疲勞壽命遠(yuǎn)高于田新高速公路設(shè)計(jì)用路面結(jié)構(gòu)，且高于對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)），且半剛性基層疲勞開裂壽命、低溫開裂指數(shù)、路基頂豎向壓應(yīng)變均較優(yōu)于原田新高速公路路面設(shè)計(jì)用結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)。其中因?yàn)r青層厚度大，其車轍稍大于原田新高速公路路面結(jié)構(gòu)，整體上滿足本項(xiàng)目大厚度柔性路面耐久性結(jié)構(gòu)要求。

（2）整體上試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一的應(yīng)力水平大于對(duì)比結(jié)構(gòu)（山東推薦的組合式耐久性路面結(jié)構(gòu)），大于試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，建議廣西大厚度柔性路面結(jié)構(gòu)項(xiàng)目選試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)一開展實(shí)體鋪筑工作；在經(jīng)濟(jì)允許的基礎(chǔ)上，建議選試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)二開展實(shí)體鋪筑工作。

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收稿日期：2023-10-23

基金項(xiàng)目：廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目“大厚度柔性長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)研究”（編號(hào)：2022JJZK08）

作者簡(jiǎn)介：于國(guó)慶（1993—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。