半剛性基層瀝青路面疲勞壽命預估

2019-03-11 01:27:38

天津建設科技 2019年1期

近年來半剛性基層瀝青路面在我國應用普遍。這種瀝青路面損壞發生的原因比較復雜，短期的損壞大多受施工的影響，較長時間的損壞主要是車輛荷載作用下的疲勞損壞。JTGD 50—2006《公路瀝青路面設計規范》只給出了混合料的疲勞性能評價的相關方法，沒有關于路面結構疲勞性能方面的論述，而國外路面設計方法中考慮了路面結構的疲勞壽命。借鑒國外疲勞壽命預估的方法，分析典型路面結構的疲勞壽命對如何減少疲勞損壞及瀝青路面結構設計具有重要意義。

1 瀝青路面疲勞壽命預估方法

半剛性基層瀝青路面疲勞損壞形態的多樣性和原因的復雜性，使得不同損壞狀態可能出現不同的使用壽命，因此瀝青路面的疲勞壽命預估就不可能采用一種預估模型，對一種路面結構來說，應該在綜合各預估壽命的基礎上，確定關鍵路面壽命預估指標并對其壽命進行預估。

1.1 瀝青層的疲勞

傳統路面設計，一般認為路面結構最大拉應變在瀝青層層底，由于行車荷載的反復作用使得瀝青層首先開裂，進而向上發展到瀝青表面層，表現為輪跡帶上的縱向開裂，一般以龜裂形式出現。因此，目前絕大多數設計方法采用瀝青疲勞方程是基于瀝青層底最大拉應變來進行瀝青混合料疲勞壽命的預估[1]。

在疲勞方程中，需要建立荷載重復作用次數與層底拉應變的關系，根據層底拉應變推算出瀝青層可承受的重復荷載作用次數。英國設計規范對瀝青層疲勞壽命的預估方法簡單可行，本研究選用英國設計規范的疲勞方程

式中：Nf——控制疲勞開裂的路面壽命，次；

ε——瀝青層底拉應變。

1.2 .半剛性基層的疲勞

半剛性材料具有剛度大、傳荷能力強、板體性好等優點，但是由于半剛性路面不可避免的會出現開裂和反射裂縫等問題，故應該對半剛性材料層本身的疲勞性能進行研究。

半剛性材料的疲勞壽命預估都采用拉應力指標進行，其基本形式大同小異，只是在參數取值上有所差別，但差別也不是很大。AASHTO設計方法對半剛性基層的疲勞預估與實際情況最接近。

式中：Nf——軸載（每一種軸型下的軸重）的重復作用次數；

σt——半剛性基層底部的最大彎拉應力，kN；

σr——28 d劈裂強度（彎拉強度），kN。

1.3 土基變形的疲勞

路面結構在重復荷載作用下，土基頂面將產生變形。如變形達到一定程度，將影響行車安全和舒適性，更嚴重的將直接導致面層開裂。因而，限制路面結構變形是路面結構設計的一個基本要求，同時也是評價路面長期性能的重要因素，在路面壽命預估中也是一個重要的方面。

目前國內外都采用土基頂面壓應變作為設計指標，對應壓應變和荷載作用次數方程。根據土基頂面壓應變估計的瀝青路面壽命模型，國內外學者研究表明，AI設計方法對永久變形的壽命預估與實際路面情況最接近，永久變形疲勞壽命預估選用AI設計方法。

式中：N——以土基變形為控制指標的允許重復荷載作用次數；

εZ——土基頂面豎向最大壓應變。

2 瀝青路面力學響應分析

選取半剛性基層瀝青路面的典型結構，利用有限元軟件ANSYS進行計算，在彈性層狀體系理論基礎上，得出不同荷載作用下，半剛性基層瀝青路面的瀝青層底拉應變、半剛性基層層底拉應力和土基頂面壓應變。見圖1。

圖1 典型半剛性基層瀝青路面結構

2.1 有限元模型的建立

沿行車方向y取5 m，橫斷面方向x取5 m，深度方向z取6 m，采用八節點solid45模型。模型的位移邊界條件：左右兩側沒有x方向位移，前后兩側沒有y方向位移，底面沒有z方向位移，路面面層表面為自由面，不進行任何約束；認為層間接觸狀態為完全連續狀態。見圖2。

圖2 路面結構有限元模型

2.2 力學計算材料參數的選取

路面結構計算時參考文獻[2]，見表1。土基回彈模量取40 MPa，泊松比取0.35。

表1 瀝青路面結構層材料參數

2.3 不同荷載作用下路面結構的力學響應

隨著我國經濟的快速發展，大貨車和集裝箱車所占的比例逐年增加，公路上行駛貨車可能存在一定程度超載現象，分析中考慮不同荷載作用下瀝青路面的力學響應。

車輛荷載特征值可以分為輪胎接地壓強、軸載大小和接地面積等，現行的瀝青路面結構設計方法以彈性層狀體系為設計理論，將雙輪荷載簡化成中心距為3倍當量圓半徑的圓形荷載，未充分考慮不同軸載與輪胎接地壓強及接地面積的關系，這無疑會影響路面受力狀況的分析精度。本研究采用雙輪雙圓、圓中心距不變軸載，引入比利時方法中的輪載與胎壓、輪胎接地面積的經驗公式[3]，根據我國道路的實際情況進行修正，不同荷載作用下輪胎接地壓強和當量半徑見表2。