預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能力學分析

付新新，張海濤

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

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預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能力學分析

付新新，張海濤*

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

隨著我國高速公路瀝青路面的大面積修建，道路在運營狀況下產生了一定程度的破壞。為了延遲或降低道路破損狀況，國內外采用了預防性養(yǎng)護技術，以延長道路使用年限，減少道路維修養(yǎng)護的費用，以及保持道路長期處在良好的服務狀態(tài)等要求。準確分析瀝青路面處在預防性養(yǎng)護階段的力學性能，可以有效地對路面的各項性能指標狀況進行預判，做出合理的處置方案以保證道路處于較好的技術狀態(tài)。本研究通過ANSYS軟件對預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面裂縫和車轍性能進行力學分析，取得了比較滿意的結果。研究結果對預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能的力學分析具有一定的參考價值，可以更好的了解瀝青路面預防性養(yǎng)護階段道路的應力、應變情況。

道路工程；瀝青路面；預防性養(yǎng)護；車轍和裂縫；ANSYS力學分析

0　引　言

近年來，隨著“建養(yǎng)并重”得到公路技術部門的重視，更多的技術力量投入到養(yǎng)護研究中，道路養(yǎng)護從矯正性養(yǎng)護到預防性養(yǎng)護，養(yǎng)護工作得到了較好的發(fā)展。為了使道路在最佳時機進行最有效的養(yǎng)護維修，在最短時間及最低經濟的條件下，使道路各項指標達到養(yǎng)護標準的要求，有效的延長道路的使用年限，這就要求對道路在不同時期的路面結構受力狀況進行準確的掌握，從而能在第一時間對道路的技術狀況進行處理。截至2015年底，我國的高速公路里程已經達到12.5萬 km[1]，其中瀝青路面更是占了絕大的比重，因此，分析預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能具有一定的理論和實際意義。

在預防性養(yǎng)護階段基礎上，分析瀝青路面在預防性養(yǎng)護階段性能指標的力學狀況，包括路面破損狀況指數PCI、路面行駛質量指數RQI、路面車轍深度指數RDI、路面抗滑性能指數SRI以及路面結構強度指數PSSI，確定各項指標的具體受力狀況。研究結果在實際工程中進行了瀝青路面預防性養(yǎng)護階段的力學指標應用分析，取得了比較滿意的效果[2-4]。

1　預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能指標

1.1瀝青路面預防性養(yǎng)護階段的確定

根據美國科氏公司的研究，一條質量合格的道路，在使用年限75%的時間內道路性能下降40%，這一階段稱之為預防性養(yǎng)護階段。如不能及時養(yǎng)護，在隨后12%的使用年限內，道路性能再次下降40%，從而造成養(yǎng)護成本大幅度的增加，這一階段稱之為矯正性養(yǎng)護階段[5-7]。根據高等級公路瀝青路面設計年限為15 a，建立了道路性能與道路使用年限的關系曲線(如圖1所示)。

圖1　瀝青路面使用年限與性能的關系Fig.1 The relationship between service time and performance of asphalt pavement

1.2瀝青路面性能指標與標準

根據《公路瀝青路面養(yǎng)護技術規(guī)范》和《公路技術狀況評定標準》[8-9]中的規(guī)定，瀝青路面性能評價包括路面損壞、平整度、車轍、抗滑性能和結構強度5項內容，瀝青路面狀況等級分為優(yōu)、良、中、次、差5個等級。瀝青路面處于預防性養(yǎng)護階段要求路面狀況等級應在優(yōu)或良以上，因此，預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能各項指標的要求見表1。

表1　瀝青路面預防性養(yǎng)護階段各項指標要求

根據瀝青路面預防性養(yǎng)護階段各指標的劃分及影響因素，對各項指標進行力學分析。選用規(guī)范[10]中的瀝青路面結構進行ANSYS力學軟件瀝青路面的模擬，路面結構為：面層為4 cm AC-13、6 cm AC-16及8 cm AC-20，基層為38 cm水泥穩(wěn)定碎石及17 cm水泥石灰砂礫土層。

2　預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面裂縫力學分析

瀝青路面的破壞種類分為裂縫類、松散類、變形類及其它類等4大類，按破壞程度分為輕、中、重等3種[11-12]，本研究針對預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面破壞進行力學分析。瀝青路面破壞種類繁多，本研究以裂縫為代表進行力學分析[13-17]。

2.1路面裂縫模型尺寸的確定[18]

預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面裂縫寬度要求≤5 mm，分析裂縫寬度為1、3、5 mm時瀝青路面結構的受力情況。根據彈性層狀體系理論及相關的研究，路面裂縫模型尺寸的確定如下：

路面模型尺寸：道路橫向寬度X=4 m，道路縱向長度Y=4 m，道路豎向深度Z=5 m。

裂縫模型尺寸：裂縫為橫縫，假定裂縫以垂直行車方向直線發(fā)展，因此，裂縫長度為4 m，寬度分別為1、3、5 mm，深度與瀝青面層厚度相同。路面裂縫模型沿道路縱向的示意圖如圖2所示。

圖2　路面裂縫縱向示意圖Fig.2 The longitudinal diagram of pavement crack

2.2邊界約束條件

假定道路橫向與縱向均不產生位移，道路豎向在一定深度范圍內完全固定，各結構層之間完全連續(xù)接觸。

2.3材料參數設定

不同結構層的材料參數見表2。

表2　不同結構層的材料參數

2.4車輪荷載

《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50-2006中規(guī)定的標準軸載見表3。

表3　標準軸載計算參數

根據輪胎與路面接地情況，荷載選用矩形分布荷載形式[19]，尺寸如圖3所示。

圖3　荷載示意圖Fig.3 The axle load diagram

2.5ANSYS軟件的力學分析結果

瀝青路面裂縫應力應變ANSYS模擬分析結果如圖4所示。不同裂縫寬度的ANSYS軟件模擬路面單元節(jié)點的應力應變計算結果如圖5所示。

因此，不同裂縫寬度的最大最小應力應變計算結果見表4。

圖4　裂縫縱向剖面應力應變ANSYS分析圖Fig.4 The ANSYS stress and strain diagram of longitudinal crack section

圖5　不同裂縫寬度單元節(jié)點應力應變的計算結果Fig.5 The stress and strain diagram of unit node in different crack width

從表4中可以看出，不同裂縫寬度的應變基本不變，而應力的大小產生變化。通過對不同寬度裂縫的力學分析，可以清楚地看到荷載作用在裂縫邊緣處產生應力集中的現象，加速了路面裂縫破壞的程度；通過應變圖也可以看出，在裂縫邊緣處的應變較大，這也會加速裂縫發(fā)展的速度。因此，應及時對裂縫進行處理，尤其是預防性養(yǎng)護階段的處理，能夠降低裂縫的發(fā)展速率。

表4　不同裂縫寬度的最大最小應力應變計算結果

3　預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面車轍力學分析

車轍是瀝青路面在荷載重復作用下產生的豎向永久變形積累，根據車轍的形成原因分為失穩(wěn)型車轍、結構型車轍和磨耗型車轍3類[20-21]。

3.1路面車轍模型尺寸的確定[22]

預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面車轍深度要求≤25 mm，分析車轍深度為3、7、15、25 mm時瀝青路面結構的受力情況。根據彈性層狀體系理論及相關的研究，路面車轍模型尺寸的確定如下：

路面模型尺寸：車轍X、Y、Z方向與裂縫模型尺寸相同。

車轍模型尺寸：假定車轍與行車方向一致且為

兩條直線帶，車轍橫截面為半個橢圓形，車轍深度為橢圓短軸長的1/2，寬度為橢圓的長軸長。寬度根據焦距和短軸長確定，焦距長度根據《公路瀝青路面養(yǎng)護規(guī)范》中的規(guī)定選取0.4 m/2=0.2 m。車轍產生的位置以路面中心軸為對稱軸兩輪中心距間隔的兩條直線帶。路面車轍沿道路橫斷面的示意圖如圖6所示。

圖6　路面車轍橫斷面示意圖Fig.6 The cross-sectional diagram of pavement rut

路面車轍模型的邊界約束條件、材料參數設定、車輪荷載的選取與路面裂縫相同。

3.2ANSYS軟件的力學分析結果

瀝青路面車轍應力應變ANSYS模擬分析結果如圖7所示。不同車轍深度的ANSYS軟件模擬路面單元節(jié)點的應力應變計算結果如圖8所示。

圖7　車轍橫向剖面應力應變ANSYS分析圖Fig.7 The ANSYS stress and strain diagram of cross-sectional rut section

圖8　不同車轍深度單元節(jié)點應力應變的計算結果Fig.8 The stress and strain diagram of unit node in different rut depth

因此，不同車轍深度的最大最小應力應變計算結果見表5。

表5　不同車轍深度的最大最小應力應變計算結果

從表5中可以看出，不同車轍深度的應變基本不變，但變形量隨著車轍深度的增加而增大，而車轍深度越大產生的應力越大。

4　結　論

(1)介紹了瀝青路面養(yǎng)護階段的劃分，通過對預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面裂縫和車轍的力學分析，明確了預養(yǎng)階段道路各層的應力應變的變化情況。分析結果對瀝青路面預防性養(yǎng)護階段力學分析有一定的參考價值。

(2)本文給出預防性養(yǎng)護階段瀝青路面路用性能各項的評價指標，用ANSYS軟件模擬了瀝青路面產生1、3、5 mm裂縫和3、7、15、25 mm車轍時的應力、應變情況。得出，不同裂縫寬度的應變基本不變，而應力的大小產生變化；不同車轍深度的應變基本不變，但變形量隨著車轍深度的增加而增大，而車轍深度越大產生的應力越大。

(3)研究認為，瀝青路面結構破壞程度越大，其應力集中現象越明顯。力學分析結果對預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面維修等技術措施制定具有一定的實用價值。ANSYS軟件模擬預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面破壞狀況，對實際養(yǎng)護技術標準分析具有重要的意義，通過研究希望對瀝青路面其它養(yǎng)護階段的力學分析具有一定的作用。

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Mechanical Analysis of Asphalt Pavement PerformanceDuring Preventive Maintenance Stage

Fu Xinxin，Zhang Haitao*

(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

With the increasing construction of asphalt pavement of highways in China，road damage occurred at different degrees during operation.In order to delay or reduce the road damage degree，the preventive maintenance technology has been applied both in China and abroad to prolong the service life of the road，reduce the cost of road maintenance，and finally to make the road in good service conditions for a long time.Accurate analysis on the mechanical performance of asphalt pavement in preventive maintenance stage can effectively predict various performance indicators，and make reasonable maintenance plan to ensure the road in the better technical conditions.In this study，the cracking and rutting of asphalt pavement performance during preventive maintenance stage has been analyzed by ANSYS software with a satisfactory outcome.The results of this study are of reference value to the mechanical analysis on asphalt pavement during preventive maintenance stage and can provide better understanding of the stress and strain of the road during preventive maintenance.

road engineering；asphalt pavement；preventive maintenance；rutting and cracking；ANSYS mechanical analysis

2016-03-09

黑龍江省交通運輸廳重點項目(050-41311606)

付新新，碩士研究生。研究方向：路面結構與材料。

張海濤，博士，教授。研究方向：路面結構與材料。E-mail：zht6781@163.com

付新新，張海濤.預防性養(yǎng)護階段的瀝青路面性能力學分析[J].森林工程，2016，32(5)：76-80.

U 416

A

1001-005X(2016)05-0076-05