半剛性基層瀝青路面-路基協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

周燕青

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶　400074)

YUAN Jun, HUANG Xiaoming. The resilient deformation characteristics of graded gravel [J].China Journal of Highway and Transport, 2007,27(6):29-33.

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半剛性基層瀝青路面-路基協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

周燕青

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074)

摘要：基于大型通用有限元軟件ABAQUS，建立兩種典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，針對3種路基高度和4種路基回彈模量，計(jì)算半波正弦荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)合半剛性路面各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命預(yù)估方程，分析路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命隨路基回彈模量變化的規(guī)律和相互協(xié)調(diào)問題。結(jié)合交通等級標(biāo)準(zhǔn)，確定滿足不同交通等級的臨界路基模量。分析表明：路基模量對瀝青層疲勞壽命影響較小，對半剛性基層和永久變形預(yù)估壽命影響較大；路基高度對半剛性基層路面各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命的影響均較小，尤其是對瀝青層疲勞壽命影響更小；具有柔性底基層的半剛性路面結(jié)構(gòu)的臨界路基模量比具有半剛性底基層的路面結(jié)構(gòu)大。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；半剛性基層；路基模量；有限元分析；疲勞壽命；路面-路基協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

半剛性基層瀝青路面板體性好，承載能力強(qiáng)，造價(jià)低，一直是我國高速公路瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式。隨著軸載和交通量的增大，大量路面出現(xiàn)了開裂、坑槽、水損害等早期病害，在達(dá)到設(shè)計(jì)年限之前需要進(jìn)行大規(guī)模重建[1-2]。文獻(xiàn)[3]指出，路基設(shè)計(jì)參數(shù)對路面病害的發(fā)生具有重要影響。我國現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)方法，僅規(guī)定了路基回彈模量的下限[4]。而在公路路基設(shè)計(jì)方法中，通過控制路基填料的加州承載比(California bearing ratio，CBR)和壓實(shí)度間接保證路基性能[5]，并未考慮具體的路面結(jié)構(gòu)形式。路基與路面設(shè)計(jì)基本是分離的，忽略了路基與路面的相互作用和協(xié)同工作。

鑒于此，本文選取典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，計(jì)算不同路基模量和路基高度下路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，基于已有的半剛性基層瀝青路面性能預(yù)估模型，分析各結(jié)構(gòu)層預(yù)估壽命隨路基模量的變化規(guī)律和相互協(xié)調(diào)性問題，并進(jìn)一步結(jié)合交通等級標(biāo)準(zhǔn)，確定滿足不同交通等級的路基模量范圍。

1路面結(jié)構(gòu)與有限元模型

1.1路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

選取典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層材料均采用動(dòng)態(tài)模量，其中，瀝青面層按一層考慮，選用20 ℃、10 Hz條件下的代表動(dòng)態(tài)抗壓模量，瀝青混合料參數(shù):混合料類型為AC-16,瀝青體積分?jǐn)?shù)為10.8%,有效瀝青體積分?jǐn)?shù)為10.1%,空隙率為4.1%[6-9]。基層、底基層動(dòng)態(tài)模量選用相關(guān)資料的推薦值[4，10-11]，路基高度分別取1、2、3 m；路基動(dòng)態(tài)模量E分別取40、60、90、120 MPa。路面各結(jié)構(gòu)層厚度和動(dòng)態(tài)模量如表1所示。

1.2動(dòng)載與模型參數(shù)

計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載單軸雙輪組100 kN，采用文獻(xiàn)[12]給出的半波正弦荷載模擬其動(dòng)態(tài)作用，隨時(shí)間變化的荷載

式中：Pmax為荷載作用的峰值，標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)取0.70 MPa；T為荷載作用周期，s，T=12a/v，其中v為車輛行駛速度，m·s-1，a為輪胎接地面積當(dāng)量圓半徑，m，標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)取0.106 5 m。

表1　半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

注：結(jié)構(gòu)材料Ⅰ、Ⅱ分別表示具有半剛性和柔性底基層的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

假設(shè)v=80 km/h，T=0.058 s。路面結(jié)構(gòu)有限元平面尺寸取5 m×5 m，路基計(jì)算深度取6 m。考慮到結(jié)構(gòu)和荷載的對稱性，取1/4模型進(jìn)行分析，各層之間為完全連續(xù)接觸[13]，邊界條件采用固定路基底面(z方向)、各結(jié)構(gòu)層對稱面施加對稱約束、側(cè)面(x方向和y方向)施加水平約束，其中x方向表示道路橫向，y方向表示道路縱向[14]。各層材料采用二次(quadratic)三維實(shí)體單元C3D27模擬。

2路面結(jié)構(gòu)層疲勞壽命預(yù)估

受預(yù)估模型自身精度和適用條件的影響，不同預(yù)估模型得到的預(yù)估壽命相差較大，有的模型甚至得到與實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)明顯不符的結(jié)果。為了安全起見，本文在分析路基模量的變化對路面各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命的影響時(shí)，選取預(yù)估結(jié)果較小的模型。因此，選取AI模型預(yù)估瀝青層疲勞壽命和永久變形壽命；對于水泥穩(wěn)定碎石，結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命以裂縫開始出現(xiàn)時(shí)為準(zhǔn)，不考慮裂縫向上擴(kuò)展，因而可以采用南非Otte提出的由室內(nèi)試件疲勞試驗(yàn)建立的預(yù)估模型，預(yù)估水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命[15]。

2.1瀝青層疲勞預(yù)估模型

AI設(shè)計(jì)方法中關(guān)于瀝青層疲勞開裂的控制方程：

2.2無機(jī)結(jié)合料處治基層疲勞預(yù)估模型

南非Otte等對半剛性基層提出以拉應(yīng)變?yōu)榭刂茦?biāo)準(zhǔn)的疲勞方程為：

logNf=9.091(1-εt/εb)，

式中εb為斷裂時(shí)的拉應(yīng)變。

2.3路基永久變形預(yù)估模型

AI設(shè)計(jì)方法的控制標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)交通荷載作用下的車轍不大于12.7 mm，設(shè)計(jì)交通荷載

Ne=1.365×10-9(εz)-4.477，

式中εz為路基頂面豎向壓應(yīng)變。

2.4軸載換算

AI法以單軸雙輪80 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，而我國以100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，故應(yīng)對AI法計(jì)算得到的預(yù)估疲勞壽命進(jìn)行相應(yīng)地軸載換算。基于彈性層狀體系理論下的瀝青面層軸載換算關(guān)系式為：

式中：EALF為等效軸載換算系數(shù)；P80、P100分別為國外標(biāo)準(zhǔn)軸載和我國標(biāo)準(zhǔn)軸載；k為軸載換算系數(shù)，各國規(guī)定不同，一般為4～5，本文取k=4。

計(jì)算得EALF=0.409 6。

3路面設(shè)計(jì)多指標(biāo)協(xié)調(diào)及其對路基性能的要求

通過ABAQUS對模型進(jìn)行動(dòng)力分析，計(jì)算在動(dòng)載作用下，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。分別采用AI設(shè)計(jì)方法和南非Otte等提出的各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命預(yù)估模型[1]，計(jì)算瀝青層疲勞預(yù)估壽命、基層(底基層)疲勞壽命及土基永久變形預(yù)估壽命，并進(jìn)一步分析各結(jié)構(gòu)層疲勞預(yù)估壽命隨路基模量的變化規(guī)律，從而確定路面的控制損壞類型。

各結(jié)構(gòu)層疲勞預(yù)估壽命隨路基模量的變化分別如圖1、2所示。圖1、2中hs為路基高度，土基模量Es=15 MPa。

圖1　瀝青路面結(jié)構(gòu)Ⅰ各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命隨路基模量的變化

圖2　瀝青路面結(jié)構(gòu)Ⅱ各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命隨路基模量的變化

從圖1、2可以看出：1)不考慮路基高度的影響，當(dāng)路基模量由40 MPa增大到120 MPa時(shí)，對于2種半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，瀝青層的疲勞壽命均減小。其中，半剛性底基層路面結(jié)構(gòu)的最大減幅為11%，而柔性底基層路面結(jié)構(gòu)為16%；基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命均增大。其中半剛性底基層路面結(jié)構(gòu)最大漲幅分別為1.09倍和4.9倍，而柔性底基層路面結(jié)構(gòu)分別為0.76倍和10.73倍。可見路基模量對瀝青層疲勞壽命影響較小，對半剛性基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命影響顯著，尤其是永久變形壽命。2)不考慮路基模量，隨著路基高度的增加，對于2種不同的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，半剛性底基層路面結(jié)構(gòu)瀝青層疲勞壽命和永久變形壽命的最大減幅分別為9%和27%，而底基層疲勞壽命的最大增幅則為39%。柔性底基層路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命隨路基高度的變化規(guī)律與半剛性底基層路面結(jié)構(gòu)相同，分別為8%、24%和20%。可見路基高度對2種半剛性路面各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命的影響均較小，尤其是對瀝青層疲勞壽命影響更小。3)半剛性和柔性底基層路面結(jié)構(gòu)均是永久變形疲勞壽命最小，均以永久變形作為控制損壞類型。因此，路基設(shè)計(jì)和施工時(shí)要確保其具有足夠的承載能力。

以我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范劃分的交通等級為依據(jù)，在地基模量為15 MPa和損壞類型為永久變形條件下，確定2種半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分別滿足不同交通等級的路基模量，如表2所示。從表2可以看出，隨著路基高度的增加，適應(yīng)不同交通量的臨界路基模量增大；具有柔性底基層的路面結(jié)構(gòu)的臨界路基模量比半剛性底基層路面結(jié)構(gòu)大。

表2　滿足不同交通等級的路基模量

4結(jié)論

1)不考慮路基高度的影響，隨著路基模量的增大，對于兩種半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，瀝青層的疲勞壽命均減小；基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命均增大。并且路基模量對瀝青層疲勞壽命影響較小，對半剛性基層(底基層)疲勞壽命和永久變形壽命影響顯著，尤其是永久變形壽命。

2)不考慮路基模量，隨著路基高度的增大，對于2種半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，瀝青層疲勞壽命和永久變形壽命均減小，而基層(底基層)疲勞壽命卻增大。并且路基高度對各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命的影響均較小，尤其是瀝青層疲勞壽命。

3)半剛性和柔性底基層路面結(jié)構(gòu)均是永久變形疲勞壽命最小，因此均以永久變形作為控制損壞類型，因此，路基設(shè)計(jì)和施工時(shí)要確保其具有足夠的承載能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京:人民交通出版社，2004：134-148.

[2]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社，2005：362-368.

[3]路鑫，毛久海，李小剛.路基回彈模量對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的數(shù)值分析[J].路基工程，2015(3):132-135.

LU Xin, MAO Jiuhai,LI Xiaogang.The numerical analysis of effect of subgrade modulus on the mechanical properties of pavement structure[J].Subgrade Engineering,2015(3):132-135.

[4]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2007.

[5]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)院.JTG D30—2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2005.

[6]何昌軒, 樊英華, 鄭曉光. 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 29(4):555-558.

HE Changxuan, FAN Yinghua, ZHENG Xiaoguang.The experimental study on dynamic modulus of asphalt mixture[J].Journal of Chonging Jiaotong University(Natural Science),2010,29(4):555-558.

[7]馬翔，倪富健，陳榮生.瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)及模型預(yù)估[J].中國公路學(xué)報(bào)，2008,21(3):35-39.

MA Xiang, NI Fujian, CHEN Rongsheng.The dynamic modulus test and model prediction of asphalt mixture[J].China Journal of Highway and Transport, 2008, 21(3):35-39.

[8]王月峰，王傳沛，莊傳儀.瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量溫度修正研究[J].中外公路，2012,32(2) :210-214.

WANG Yuefeng, WANG Chuanpei, ZHUANG Chuanyi.The study on temperature correction of dynamic modulus of asphalt mixture[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(2):210-214.

[9]劉福明. 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估方程的驗(yàn)證分析[J].中外公路，2012,32(1)：208-212.

LIU Fuming.The analytical validation of estimation equation of asphalt dynamic modulus[J].Journal of China & Foreign Highway, 2012, 32(1):208-212.

[10]何兆益，黃衛(wèi)，鄧學(xué)均.級配碎石動(dòng)靜彈性模量的對比研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，1998(1): 15-20.

HE Zhaoyi, HUANG Wei, DENG Xuejun.The comparative study on static modulus and dynamic modulus of graded gravel [J]. China Journal of Highway and Transport, 1998(1):15-20.

[11]袁俊，黃曉明. 級配碎石回彈變形特性[J].中國公路學(xué)報(bào)，2007,27(6), 29-33.

YUAN Jun, HUANG Xiaoming. The resilient deformation characteristics of graded gravel [J].China Journal of Highway and Transport, 2007,27(6):29-33.

[12]黃兵，周正峰，賈宏財(cái).半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014,33(1):47-51.

HUANG Bing, ZHOU Zhengfeng,JIA Hongcai.The analysis of mechanical response of asphalt pavement structure with semi-rigid base[J].Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science) ,2014,33(1):47-51.

[13]卜建清，張大明. 參數(shù)變化對瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響分析[J].公路，2012(3):93-98.

BU Jianqing,ZHANG Daming.The impact on asphalt concrete pavement structural dynamic response induced by parameter variations[J].Highway, 2012(3):93-98.

[14]黃兵，吳玉，艾長發(fā). 結(jié)構(gòu)參數(shù)對瀝青路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[J]. 公路交通科技，2013,30(9),8-12.

HUANG Bing,WU Yu,AI Changfa.The effect of structural parameters on the dynamic response of asphalt pavement[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(9),8-12.

[15]沈金安.國外瀝青路面設(shè)計(jì)方法匯總[M]. 北京:人民交通出版社, 2004：284-296.

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-05-17

作者簡介：周燕青(1991—),女,河南南陽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸工程,E-mail：yanqing_52@163.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.012

中圖分類號：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0066-05

The Pavement-Subgrade Coordinate Design of Asphalt Pavement with Semi-Rigid Base

ZHOUYanqing

(SchoolofTransport,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Abstract:Based on the large general-purposed finite element software ABAQUS, the two typical kinds of 3D finite element models of asphalt pavement structures with the semi-rigid base are established. Aiming at three kinds of subgrade heights and four kinds of subgrade moduli, the dynamic responses of pavement structures under the half-sine wave loads are calculated. Combined with the prediction equation of the fatigue life of all structures with the semi-rigid base, the regularity and the coordination of the fatigue life of pavement structures following the variation of resilient subgrade moduli are analyzed. Furthermore, the critical subgrade moduli which meet different traffic levels are determined according to the standards of the traffic levels. The analyses indicate as follows. The subgrade modulus has a weak effect on the fatigue life of asphalt layers and a greater impact on the fatigue life of the semi-rigid base and permanent deformation. The subgrade height has less influence on the fatigue life of all structural layers of the semi-rigid base, especially the fatigue life of asphalt layers. The critical subgrade modulus of the flexible semi-rigid base structure is bigger than that of the pavement structure with the semi-rigid base.

Key words:asphalt pavement; semi-rigid base; subgrade modulus; finite element analysis; fatigue life; pavement-subgrade coordinative design