摘要：文章利用有限元軟件建立數(shù)值模型，研究了不同結(jié)構(gòu)層厚度組合下路面的力學(xué)響應(yīng)，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的路面臨界降雨強(qiáng)度，并討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型雙層排水瀝青路面排水性能的影響，得到如下結(jié)論：（1）不同排水層和防水層的厚度組合工況下路面結(jié)構(gòu)的整體受力情況相同，排水層和防水層的厚度組合對(duì)新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性影響很?。唬?）影響新型雙層排水瀝青路面排水能力的因素由強(qiáng)至弱分別為上層空隙率、橫坡、下層空隙率、上層厚度，在上層空隙率為20.0%、橫坡為6.0%、下層空隙率為20.0%、上層厚度為4.5 cm的工況下，新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強(qiáng)度最大，達(dá)到了7.56×10-6 m/s。

關(guān)鍵詞：新型雙層排水瀝青路面；數(shù)值模擬；力學(xué)響應(yīng)；排水性能；參數(shù)敏感性分析

中圖分類號(hào)：U416.217A050163

0 引言

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的背景下，我國(guó)的高速公路建設(shè)不斷推進(jìn)，高速公路網(wǎng)四通八達(dá)，其中采用瀝青路面的高速公路里程占高速公路總里程的90%以上。瀝青路面具有較高的強(qiáng)度和較好的穩(wěn)定性，但隨著高速公路里程的增加，瀝青路面的問題逐漸變得明顯，其中之一就是雨天路滑的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雨天的交通事故率約為晴天的5～8倍。我國(guó)大部分地區(qū)屬季風(fēng)氣候，夏季多雨，大量雨水落在瀝青路面上，若排水不及時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致瀝青路面上形成水膜，降低路面的摩擦系數(shù)，大大增加汽車的制動(dòng)距離，危害行車安全。因此，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的排水性能進(jìn)行優(yōu)化對(duì)保障行車安全至關(guān)重要，而對(duì)于路面結(jié)構(gòu)排水性能優(yōu)化這一問題已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。

竇大峣［1］針對(duì)路面排水基層的瀝青混合料進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了不同級(jí)配瀝青碎石混合料的試驗(yàn)工況，分別進(jìn)行了滲水性能、結(jié)構(gòu)性能等試驗(yàn)。蔡正森等［2］基于有限元軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行了流固耦合計(jì)算，對(duì)降雨作用下新型雙層排水瀝青路面的堵塞階段進(jìn)行劃分，并分析了路面上層空隙率、路表沉積物質(zhì)量、雨水滲流速率對(duì)路面排水性能的影響。劉毓氚等［3］提出一種S型復(fù)合排水材料新型路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)，并通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了土工織物參數(shù)對(duì)其排水性能的影響。汪敏［4］分析了多孔瀝青路面坡度、坡長(zhǎng)、厚度、空隙率、降雨量、滲水系數(shù)以及水膜厚度之間的相關(guān)性，并通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了不同車速條件下路面摩擦系數(shù)與水膜厚度間的變化規(guī)律。孔成維［5］利用有限元軟件進(jìn)行流固耦合分析，研究了不同路面參數(shù)下新型雙層排水瀝青路面滲流場(chǎng)的變化規(guī)律，并通過車轍試驗(yàn)和堵塞試驗(yàn)研究了車轍和堵塞在路面排水性能衰減中的作用機(jī)理。鄧娟華等［6］利用ABAQUS軟件建立模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了多車道單層和新型雙層排水瀝青路面長(zhǎng)期降雨工況下的排水性能。朱廣安［7］依托上海市某排水瀝青路面實(shí)際工程，建立數(shù)值模型進(jìn)行流固耦合計(jì)算，分析了雨強(qiáng)、路寬、坡度等因素對(duì)道路排水性能的影響。

本文依托廣西南寧繞城高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，利用有限元軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算分析，研究了不同瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度組合下新型雙層排水瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)，并設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，通過流固耦合模塊對(duì)臨界降雨強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型雙層排水瀝青路面排水性能的影響，以期為新型雙層排水瀝青路面的設(shè)計(jì)提供參考。

1 新型雙層排水瀝青路面有限元模型

本文依托廣西南寧繞城高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，工程區(qū)域位置如圖1所示。由于廣西地處低緯度地區(qū)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，氣溫高，降水豐富，多年平均降雨量為1 304.2 mm左右，降雨多集中在5～9月，且降雨季節(jié)多暴雨，因此對(duì)瀝青路面的防水性能提出了更高的要求。

新型雙層排水瀝青路面的結(jié)構(gòu)與常規(guī)單層瀝青路面基本相同，主要區(qū)別在于新型雙層排水瀝青路面的表層是由多空隙瀝青混合料制成的排水層，在排水層與下承層之間設(shè)置了防水層。新型雙層排水瀝青路面的結(jié)構(gòu)層自上向下分別為瀝青面層、基層、底基層，其中瀝青面層由排水層（上面層）、防水層（中面層）和下承層（下面層）組成。新型雙層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文利用有限元軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算分析，考慮到軟件的計(jì)算效率及精度，設(shè)置模型的幾何尺寸為：3.0 m×3.0 m×3.0 m（長(zhǎng)×寬×高），上面層和中面層的總厚度為10 cm。根據(jù)上面層和中面層的厚度組合在計(jì)算時(shí)分為3種工況：

工況一：上面層3.5 cm+中面層6.5 cm。

工況二：上面層4.0 cm+中面層6.0 cm。

工況三：上面層4.5 cm+中面層5.5 cm。

下面層的厚度為10 cm，基層的厚度為40 cm，底基層的厚度為20 cm，路基的厚度為220 cm。在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)分析區(qū)域進(jìn)行加密。數(shù)值模型如圖3所示。

模型的邊界條件設(shè)置為：對(duì)模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制底面的豎向和水平向的位移；對(duì)模型側(cè)面施加垂直與側(cè)面的約束限制側(cè)面的法向位移。相對(duì)于整個(gè)路面的面積，車輛行駛時(shí)的荷載作用面積很小，為方便計(jì)算，可以取矩形區(qū)域代替真實(shí)的雙圓荷載區(qū)域。車輛軸重分別取100 kN，車輛對(duì)地面的荷載為0.7 MPa。

參考《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)取值，如表1所示。

2 新型雙層排水瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)

利用有限元軟件對(duì)新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載的受力特性進(jìn)行計(jì)算分析，得到不同工況下新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)如圖4所示，其中“-”表示壓應(yīng)力或壓應(yīng)變。

如圖4所示，造成路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的原因主要包括路面的豎向變形及路面層底受拉破壞，隨著路面結(jié)構(gòu)深度的不斷增加，不同結(jié)構(gòu)層的豎向變形、層底拉應(yīng)力、層底拉應(yīng)變和層頂壓應(yīng)力均在逐漸減小。由于不同工況下路面瀝青面層的厚度均為20 cm，僅是排水層和防水層的厚度組合不同，不同工況下路面結(jié)構(gòu)的整體受力情況相同，隨著排水層厚度的逐漸增大和防水層厚度的逐漸減小，對(duì)應(yīng)層面的層底拉應(yīng)力和層底拉應(yīng)變有一定程度的減小，層頂壓應(yīng)力幾乎沒有變化，對(duì)應(yīng)深度的豎向位移有較小程度的減小，不同工況下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)數(shù)值較為相近，排水層和防水層的厚度組合對(duì)新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性影響很小。

3 新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強(qiáng)度

為研究新型雙層排水瀝青路面的排水能力，引入臨界降雨強(qiáng)度指標(biāo)。臨界降雨強(qiáng)度表示新型雙層排水瀝青路面在降雨時(shí)不出現(xiàn)地表徑流條件下對(duì)應(yīng)的最大降雨強(qiáng)度，在進(jìn)行流固耦合數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要將降雨量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的降雨速度。臨界降雨強(qiáng)度的計(jì)算流程如下頁(yè)圖5所示，其中a為最大降雨強(qiáng)度，b為最小降雨強(qiáng)度，α為臨界降雨強(qiáng)度，當(dāng)新型雙層排水瀝青路面的內(nèi)部含水率＞99.9%時(shí)，認(rèn)為新型雙層排水瀝青路面達(dá)到飽水狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度即為臨界降雨強(qiáng)度。

本節(jié)通過設(shè)置不同的計(jì)算工況，研究路面上層厚度、路面上層空隙率、路面下層空隙率和橫坡值對(duì)路面排水能力的影響，其中路面上層厚度分別為3.5 cm、4.0 cm、4.5 cm；路面上層空隙率分別為18.0%、20.0%、22.0%；路面下層空隙率分別為20.0%、22.0%、24.0%；橫坡值分別為2.0%、4.0%、6.0%。由于因素及水平過多，若采用傳統(tǒng)的控制變量法需要進(jìn)行81次計(jì)算，大大增加了工作量，因此采用正交設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)計(jì)算工況，采用L9（4×3）的正交表，計(jì)算結(jié)果如表2所示，極差分析結(jié)果如表3和圖6所示。

如表2、表3和圖6所示，影響新型雙層排水瀝青路面排水能力的因素由強(qiáng)至弱分別為上層空隙率、橫坡、下層空隙率、上層厚度。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，在上層空隙率為20.0%，橫坡為6.0%，下層空隙率為20.0%，上層厚度為4.5 cm的工況下，新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強(qiáng)度最大，達(dá)到了7.56×10-6 m/s。但在實(shí)際工程中，為保證行車安全，新型雙層排水瀝青路面的橫坡設(shè)計(jì)值一般不會(huì)達(dá)到6.0%，因此，在對(duì)新型雙層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)取值時(shí)，還應(yīng)考慮其他多方面條件。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托廣西南寧繞城高速公路舊水泥混凝土路面改造工程，利用有限元軟件建立數(shù)值模型，研究了不同瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度組合下新型雙層排水瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)，并計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的路面臨界降雨強(qiáng)度，討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型雙層排水瀝青路面排水性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）不同排水層和防水層的厚度組合工況下路面結(jié)構(gòu)的整體受力情況相同，隨著排水層厚度的逐漸增大和防水層厚度的逐漸減小，對(duì)應(yīng)層面的層底拉應(yīng)力和層底拉應(yīng)變有一定程度的減小，對(duì)應(yīng)深度的豎向位移有較小程度的減小，排水層和防水層的厚度組合對(duì)新型雙層排水瀝青路面在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)特性影響很小。

（2）影響新型雙層排水瀝青路面排水能力的因素由強(qiáng)至弱分別為上層空隙率、橫坡、下層空隙率、上層厚度。在上層空隙率為20.0%，橫坡為6.0%，下層空隙率為20.0%，上層厚度為4.5 cm的工況下，新型雙層排水瀝青路面的臨界降雨強(qiáng)度最大，達(dá)到了7.56×10-6 m/s。

參考文獻(xiàn)

［1］竇大峣.寒冷地區(qū)瀝青路面排水基層混合料的試驗(yàn)分析［J］.黑龍江交通科技，202 45（4）：15-18.

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［3］劉毓氚，張 川.路面結(jié)構(gòu)S型復(fù)合土工材料排水系統(tǒng)性能分析［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），202 49（2）：245-253.

［4］汪 敏.多孔瀝青路面排水特征及安全性能研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2023.

［5］孔成維.新型雙層排水瀝青路面排水特性及結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2022.

［6］鄧娟華，鄒 杰，彩雷洲，等.多車道排水瀝青路面排水能力影響因素研究［J］.西部交通科技，2021（1）：57-60.

［7］朱廣安.基于63雨型的透水路面非飽和滲流分析及排水性能研究［J］.城市道橋與防洪，2020（12）：112-115，17.

收稿日期：2023-10-11

作者簡(jiǎn)介：馬萬榮（1973—），高級(jí)工程師，主要從事公路工程施工管理工作。