天津市普通公路高模量瀝青路面典型結構力學行為分析

邳慧然，李正中，武巖峰

(1.天津市交通科學研究院 天津市 300074；2.天津高速公路集團有限公司 天津市 300384)

高模量瀝青路面材料技術源于法國，其設計理念是通過提高瀝青混凝土的模量，以減小車輛荷載及高溫作用下瀝青混凝土的應變及路面結構的塑性變形，從而達到提高路面抗車轍能力、減薄路面厚度和提高路面耐久性的目的[1]。我國于2005年開始進行高模量瀝青混凝土應用技術的研究，總體上還處于起步和探索階段，在天津市尚未開展相關嘗試。結合天津地區普通公路的典型結構，通過使用KENLAYER和ANSYS有限元軟件[2-3]，對不同瀝青混凝土路面結構進行了應力分析和車轍預估模擬，為天津市普通公路路面結構層中高模量瀝青混凝土材料的大規模應用提供了重要參考。

1 材料特性說明

路面結構行為分析采用15℃抗壓回彈模量作為瀝青層材料的計算分析參數。AC-13型SBS改性瀝青混合料、AC-25型粗粒式瀝青混合料回彈模量，采用現行《公路瀝青路面設計規范》給定范圍的中值作為計算分析參數。高模量瀝青混合料采用GTM旋轉剪切成型方法進行設計，采用70號A級道路石油瀝青，并外摻0.5%PR-Module高模量改性劑，摻量以占礦料總質量的百分比表示，其抗壓回彈模量試驗值如表1所示[4]。與路基土、級配碎石相比，半剛性基層材料的非線性力學特征不明顯[5]，可認為半剛性基層材料為理想彈性材料，其模量取值如表2所示[6]。

表1 瀝青混合料基本參數

表2 半剛性材料的模量

2 路面結構行為分析

2.1 典型結構說明

天津地區普通公路廣泛采用的半剛性基層瀝青路面結構一般為12cm瀝青面層+36cm半剛性基層，結構組合設計上面層為4cm SBS改性瀝青AC-13瀝青混凝土，下面層為8cm AC-25型普通瀝青混凝土，上基層為18cm二灰碎石，下基層為18cm二灰碎石，如圖1所示。為了對比高模量瀝青混凝土與普通瀝青混凝土作為路面結構層對路面性能的不同影響，將高模量瀝青混凝土材料設置在上下面層結構位置，如圖2所示。

2.2 路面應力計算圖示

瀝青路面面層應力計算點布置如圖3所示，雙圓均布豎向荷載P=700kPa，荷載圓半徑R=10.65cm，在XOY水平面內，1號點坐標為(-15.975，0)，2號點坐標為(-13.31，0)，3號點坐標為(-10.65，0)，4號點坐標為(0，0)，單位均為cm。為了系統清晰地反映剪應力在路面結構中的分布，在相應水平坐標點下，沿向路基內部方向，最大剪應力計算點間距在路面結構中為1cm，對層間位置附近增加計算點密度，上承層層底和下臥層層頂均分別設置計算點，在基層范圍內計算點間距適當放大為2cm，同樣對層間位置附近增加計算點密度。

圖1 普通公路典型結構組合一

圖2 普通公路典型結構組合二

圖3 應力計算點位圖

2.3 剪應力分析

采用KENLAYER路面結構分析軟件對圖1和圖2兩種結構的剪應力分別進行模擬分析，結果如表3和表4、圖4和圖5所示。

表3 普通公路典型結構組合一剪應力分布

表4 普通公路典型結構組合二剪應力分布

圖4 普通公路典型結構組合一剪應力分布

圖5 普通公路典型結構組合二剪應力分

從以上圖表對比可以看出，對于結構組合一而言，瀝青路面結構剪應力峰值主要集中于2～8cm范圍內，基本上屬于上面層下部到下面層上部之間，上面層峰值約為222kPa，下面層峰值約為189kPa，且絕大多數剪應力峰值都出現在上下面層之間及下面層層頂位置處。對于結構組合二而言，瀝青路面結構剪應力峰值同樣集中在2～10cm范圍內，基本上屬于上面層下部到下面層中部之間，上面層峰值約為212kPa，下面層峰值約為172kPa，且絕大多數剪應力峰值都出現在上下面層之間及下面層層頂位置處，剪應力分布規律與結構一存在一定的區別，具體體現在：瀝青上下面層結構的剪應力峰值均有較為明顯的降低，上面層剪應力峰值小于結構一；面層結構內剪應力在上面層與下面層層間的突變點幾乎完全消失。因此可得出結論，采用高模量瀝青混凝土作為面層材料可顯著降低結構內部剪應力，改善結構內部受力情況。

2.4 疲勞壽命分析

采用KENLAYER路面結構分析軟件對圖1和圖2兩種結構水平方向力分布情況進行模擬分析，結果如表5和表6、圖6和圖7所示，疲勞壽命預估如表7和表8所示。

表5 普通公路典型結構組合一水平方向應力分布

注：壓應力為正數，拉應力為負數

根據以上圖表分析可得出，在相同的結構深度處，使用了高模量瀝青混凝土的結構組合二的壓應力比使用普通瀝青混凝土結構組合一的壓應力大[7]，拉應力比普通瀝青混凝土結構組合一的拉應力小，水平應力峰值有一定減小，但疲勞壽命作用次數明顯增多[8]，因此采用高模量瀝青混凝土材料可有效提高其疲勞強度，延長公路的使用壽命。

3 車轍預估分析

采用ANSYS有限元軟件分別對圖1和圖2兩種普通公路結構進行模擬，針對天津地區普通公路，在上面層與下面層有效溫度分別為36.9℃、36.6℃下加載140s，標準軸載以14m/s作用10000次，得到普通公路車轍仿真豎向變形云圖，如圖8所示。再利用數據處理軟件Origin對瀝青永久變形進行回歸模擬，得到表9數據。

表6 普通公路典型結構組合二水平方向應力分布

圖6 普通公路典型結構組合一水平方向應力分布

圖7 普通公路典型結構組合二水平方向應力分布

結構位置水平應力峰值/kPa疲勞壽命/次瀝青面層無拉應力/半剛性基層-3132.102×108

表8 普通公路典型結構組合二疲勞壽命預估

圖8 普通公路車轍仿真豎向變形云圖(左結構組合一、右結構組合二)

表9 蠕變變形擬合分析

對比以上云圖，可以看到荷載圓下的12cm厚普通公路結構組合一瀝青路面結構產生較大位移變形，最大隆起為0.21cm，絕對轍槽深度達到3.45cm，最大相對車轍達3.75cm，遠超規范所容許的車轍深度，屬于非常嚴重的車轍破壞；而采用高模量瀝青混凝土路面結構組合二最大隆起高度僅為0.007cm，絕對車轍和最大相對車轍分別也只有0.15cm和0.157cm，變形明顯較小，抗車轍變形效果明顯。根據表9，普通公路結構組合一經過38萬次作用就產生了嚴重車轍，而使用高模量瀝青混凝土作為上下面層材料的結構組合二達到370多萬次輪載作用才需要維修，抗車轍性能優異，在其設計年限內基本不會出現車轍病害[9]。因此，采用高模量瀝青混凝土材料可以顯著提高路面的抗車轍能力，使瀝青結構層的位移變形明顯減小，從而大幅延長路面的使用壽命，保證在設計年限內基本不需要考慮車轍病害的問題[10]。

4 結論

采用高模量瀝青混凝土作為瀝青路面上下面層材料，可以顯著降低結構層的剪應力峰值，減少層間剪應力的突變點，有效降低剪應力峰值的位置；可以在一定程度上降低拉應力峰值，改善結構層應力分布，對提高結構的疲勞壽命有一定的效果；可以顯著增強路面抗車轍能力，減小結構層變形，使其在設計壽命期內基本不需要考慮車轍病害的問題，從而可以達到延長公路使用壽命的效果。