王圣棋

摘要 考慮路面結(jié)構(gòu)層模量隨著半剛性瀝青路面服役時間的增加而持續(xù)衰減的特性，文章采用有限元數(shù)值分析方法，建立半剛性瀝青路面三維有限元模型，研究瀝青路面面層模量衰減、基層與底基層模量衰減、路面結(jié)構(gòu)層模量整體衰減對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路表彎沉的影響最大，其次是基層與底基層模量的衰減，路基的衰減對路表的彎沉影響最小。

關(guān)鍵詞 半剛性瀝青路面；模量衰減；有限元分析；力學響應(yīng)

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0140-03

0 引言

從結(jié)構(gòu)形式上看，我國主要路面結(jié)構(gòu)形式為半剛性基層瀝青路面，占比超過了95%。半剛性基層瀝青路面受車輛和環(huán)境的影響，結(jié)構(gòu)層模量逐漸衰減，然而在我國瀝青路面養(yǎng)護設(shè)計規(guī)范中關(guān)于半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)層驗算，依舊采用初始設(shè)計值充當整個半剛性瀝青路面壽命周期的模量，未考慮基層模量衰減的實際情況[1-3]，導致半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)驗算不能為后期路面大中修養(yǎng)護提供理論參考和依據(jù)。為此，國內(nèi)外學者對半剛性基層瀝青路面模量的衰減如何影響瀝青路面的力學性能作了大量研究。

南非采用分階段衰減的思路進行半剛性基層瀝青路面設(shè)計[4-5]，馬林[6]等針對超長服役的半剛性基層模量衰減進行了研究，但沒有考慮面層模量也會隨著路面服役年限的增加而逐漸衰減；王建章[7]等通過采用Abaqus有限元軟件對半剛性基層受力狀況進行了分析，并考慮基層模量的衰減對路面結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響，建立了一種評價半剛性基層結(jié)構(gòu)損傷程度的方法；曹丹丹[8]等采用反演的方法對移動荷載作用下的路面力學響應(yīng)進行了分析，證明了以彎沉盆反演得到各個結(jié)構(gòu)層模量的變化可以描述瀝青路面結(jié)構(gòu)層性能的衰減。

采用有限元數(shù)值分析方法，建立半剛性瀝青路面三維有限元模型，研究瀝青路面面層模量衰減、基層與底基層模量衰減、路面結(jié)構(gòu)層模量整體衰減對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響，以期為服役末期的半剛性瀝青路面進行大中修養(yǎng)護提供理論參考和依據(jù)。

1 路面模量取值

對路面結(jié)構(gòu)強度進行檢測時，常采用落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，F(xiàn)WD）測出路表彎沉10。采用Abaqus有限元軟件進行仿真分析時，宜將路面結(jié)構(gòu)層模量設(shè)置成動態(tài)模量，并參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）規(guī)定的取值范圍，路面結(jié)構(gòu)層初始取值如表1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

采用Abaqus有限元軟件建立尺寸為6 m×5 m×3 m的路面三維數(shù)值模型。路面模型分為四層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為 18 cm瀝青面層、36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層、路基。如圖1所示。對模型采用不等間距劃分網(wǎng)格，從四周逐漸向中心位置區(qū)域加密，尺寸由0.15 m到0.03 m，荷載施加區(qū)的網(wǎng)格密度設(shè)置為0.03 m×0.03 m，如圖2所示。

2.2 施加荷載

在模型路表中心施加7t-FWD，模擬標準軸載BZZ-100，7t-FWD荷載變化曲線如圖3所示。

2.3 路基衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持面層和基層結(jié)構(gòu)層參數(shù)不變，路基彈性模量取值范圍在40～200 MPa，具體取值如表2所示。利用Abaqus有限元軟件對路面強度進行分析，提取荷載加載區(qū)中心位置的最大彎沉值作為路表彎沉，具體計算結(jié)果如表3所示。

由表3計算結(jié)果可知，路基模量從200 MPa衰減至40 MPa時，即路基模量衰減80%，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至8.2（0.01 mm），增幅為60.8%。

2.4 面層衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持基層、底基層及路基的模量不變，上面層、中面層及下面層模量同時從0%衰減至80%，且衰減比例保持相同，具體如表4所示，具體計算結(jié)果如表5所示。

由表5計算結(jié)果可知，面層模量衰減80%時，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至10.3（0.01 mm），增幅為101.9%。

2.5 基層底基層模量衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持上面層、中面層、下面層及路基的模量不變，基層模量從0%衰減至80%，與此同時底基層從0%衰減至40%，具體如表6所示，計算結(jié)果如表7所示。

由表7計算結(jié)果可知，基層模量從0%衰減至80%，底基層從0%衰減至40%，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至10.1（0.01 mm），增幅為98%。

2.6 路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路面結(jié)構(gòu)強度的影響

保持路基模量不變，上面層、中面層、下面層、基層及底基層模量同時衰減，面層逐漸衰減至80%、基層逐漸衰減至40%、底基層逐漸衰減至20%，具體如表8所示，計算結(jié)果如表9所示。

由表9計算結(jié)果可知，面層逐漸衰減至80%、基層逐漸衰減至40%、底基層逐漸衰減至20%，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至11.89（0.01 mm），增幅為133.3%。

將以上路面接結(jié)構(gòu)衰減類別進行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

綜上所述，路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路表彎沉的影響最大，其次是基層底基層模量的衰減及面層的衰減，路基模量的衰減對路面結(jié)構(gòu)整體強度影響較小。

3 結(jié)論

（1）路基模量衰減80%時，路表彎沉從5.1（0.01 mm）增加至8.2（0.01 mm），增幅為60.8%，說明路基模量衰減會對路表彎沉造成一定的影響，但不足以影響到路面結(jié)構(gòu)的使用功能，其路表彎沉仍然保持在正常水平范圍。

（2）面層模量衰減、基層與底基層模量衰減及路面整體結(jié)構(gòu)模量衰減都會對路表彎沉造成較大的影響，且會影響路面結(jié)構(gòu)強度。

（3）路面結(jié)構(gòu)整體衰減對路表彎沉的影響最大，其次是基層底基層模量的衰減及面層的衰減，路基模量的衰減對路面結(jié)構(gòu)整體強度影響較小。

參考文獻

[1]程宇飛， 孔軍. 基于客貨分行模式的烏奎高速公路改擴建路面研究[J]. 公路， 2021（10）： 84-89.

[2]陶華策， 巨鎖基. 基于動態(tài)稱重數(shù)據(jù)的多哥壹號公路交通荷載分析[J]. 公路， 2020（9）： 222-225.

[3]曾峰， 王旭東. 半剛性基層長壽命瀝青路面的實踐檢驗[J]. 公路， 2016（12）： 1-7.

[4]韋金城. 瀝青路面半剛性基層材料與結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究[D]. 西安：長安大學， 2014.

[5] Theyse H， De Beer M， Rust F. Overview of South African Mechanistic Pavement Design Method[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 1996， 1539： 6-17.

[6]馬林， 羅傳熙， 聶文， 等. 超長服役的半剛性基層模量衰減機理研究[J]. 公路， 2023（5）： 59-65.

[7]王建章， 李紅. 瀝青路面半剛性基層結(jié)構(gòu)承載能力評價方法研究[J]. 公路工程， 2018（5）： 209-212.

[8]曹丹丹， 朱銘， 張嘉， 等. 動態(tài)反演方法進行路面結(jié)構(gòu)性能衰減分析的可行性[J]. 北京工業(yè)大學學報， 2022（6）： 598-607.