基于實際溫度場的瀝青路面結構力學響應分析

趙 國 軍

(中電建路橋集團重慶分公司，重慶 400700)

1 概述

傳統的半剛性基層具有較高的強度、剛度以及承載能力，被廣泛應用到高速公路建設中，但是由于半剛性基層易產生裂縫，反射到瀝青路面路表處，造成瀝青路面結構性破壞，縮短路面使用壽命，因此，國內瀝青路面結構形式由之前的單一半剛性基層朝多元化發展。目前柔性基層瀝青路面和組合式基層瀝青路面逐漸被推廣應用到工程實踐中，但由于半剛性基層、柔性基層、組合式基層瀝青路面采用不同的基層結構，其路面使用性能及耐久性與傳統結構路面也有所不同，路面發生破壞的類型、位置等有不同之處，有研究指出，柔性基層瀝青路面破壞主要以疲勞裂縫為主，屬于功能性破壞，半剛性基層瀝青路面破壞主要以反射裂縫為主，屬于結構性破壞，柔性基層瀝青路面抗疲勞性能和耐久性能優于半剛性基層路面，組合式基層路面性能介于中間。正是基層結構有差異導致路面的設計指標、承載能力及服務性能也有差異。因此，迫切需要掌握不同基層類型路面在不同條件下的力學響應狀態，來指導路面設計及施工。再者由于傳統的力學響應計算采用的材料模量是采用推薦的常溫計算而來，計算結果不具有代表性，與瀝青路面實際力學指標變化不匹配[1-3]。

基于此，為了掌握不同基層結構瀝青路面全過程應力發展狀態，實現對瀝青路面全時段狀態的有效監測，利用BISAR軟件，從瀝青路面設計指標壓應力、剪應力、拉應變多個角度分析，為使得分析結果具有現場指導意義，本文選取實測溫度計算的模量參數進行三種結構的力學響應分析。研究成果可為養護時機的選擇和瀝青路面設計提供技術支撐。

2 路面結構方案及參數

2.1三類路面結構方案

對比分析半剛性基層、柔性基層和組合式基層三種類型的路面結構內部力學響應，所選取的三種路面結構總厚度均為76 cm，其中面層結構均為18 cm，如表1所示。

表1 三種路面結構類型

各層材料的動態模量根據新版瀝青路面設計規范中的推薦值范圍進行取值，如表2所示，動態模量取值條件為20 ℃，10 Hz[3]。標準條件和超載條件下模量參數均采用表2中的。

表2 材料參數

2.2荷載在進行力學響應分析時，荷載參數選擇時分別考慮了正常應力水平、高應力水平和極端應力水平，因此，荷載水平分別取100 kN,130 kN(超載30%)和100 kN(超載100%)。

3 實際溫度場的獲取和計算

本文為了獲得更加貼近現場的瀝青路面實際力學響應變化規律，根據當地氣溫數據采用經典回歸模型計算路表及不同深度的實際溫度，采用實測溫度計算模量參數。

基于高速公路所處地理位置的歷年每個月氣溫數據，采用Huber提出的反映緯度、氣溫和路表溫度之間關系的經典回歸模型(式(1))計算路表最高溫度，并由此計算路面某一深度處的最高溫度，如式(2)所示。

TS=Ta+0.006 18Lat2+0.228 9Lat+24.4

(1)

其中，TS為路表最高溫度，℃;Ta為最高氣溫，℃；Lat為緯度，(°)。

Td(max)=(TS(max)+17.78)(1-2.48×10-3d+
1.085×10-5d2-2.441×10-8d3)-17.78

(2)

其中，Td(max)為路面特定深度處的最高溫度，℃；TS(max)為路表最高溫度，℃；d為距離路表的深度，mm。

該高速公路所處地區緯度為32.03°，根據該地區歷年每個月的平均溫度數據計算每個月各層混合料的實際溫度結果如表3所示(各層溫度取中心點的溫度，即上中下面層的溫度分別取距離路表2 cm，8 cm和16 cm的位置)。

表3 不同層位的溫度 ℃

根據實際溫度場計算的溫度值，利用動態模量主曲線(式(3))計算路面各結構層相對應的模量值，結果見表4。

(3)

其中，Emin為擬合的動態模量最小值，MPa；Emax為擬合的動態模量最大值，MPa；a，b均為描述Sigmodal函數的形狀因子；fr為縮減頻率,Hz。

表4 高溫條件材料參數取值

4 壓應力

4.1超載條件

根據相關研究，瀝青路面結構層中豎向壓應力最大值出現在輪胎正下方，本文取輪胎正下方，即(0，159.8)的位置計算壓應力[4]，三種路面結構在標準荷載、30%和100%超載條件下的壓應力隨深度分布計算結果見圖1～圖3。

結果表明：各基層結構類型路面壓應力最大值均出現在路表處，為0.7 MPa，隨著深度增加壓應力逐漸減小，至路基頂面幾乎為零。三種路面結構面層不同深度范圍內的壓應力基本相當，變化范圍在0.2 MPa～0.7 MPa之間，基層不同深度范圍內的柔性基層壓應力相對較小，半剛性基層與組合式基層基本相當，變化范圍均在0.2 MPa以內。

4.2超載+高溫條件

三種路面結構在超載30%+高溫和超載100%+高溫條件下的壓應力計算結果如圖4所示。

結果表明：

1)在超載+高溫條件下，不同結構各層的壓應力出現不同程度的增長，且增長幅度隨深度的增加而增大。

2)半剛性基層和組合式基層壓應力在20 cm以內(即瀝青層內)增長迅速，增幅增大為50%左右，隨著深度的增加，壓應力增幅逐漸趨于穩定，半剛性基層為55%～58%之間，組合式基層為62%～72%之間。

3)柔性基層壓應力在48 cm以內始終保持增加，最大增幅達到了164%，而后出現了一定衰減。

由此說明，溫度的增加影響了柔性基層材料的模量，從而導致路面受力狀態的變化，而半剛性基層采用無機結合料，材料模量受溫度影響較小，對于瀝青層以下的壓應力影響基本不變。

5 剪應力

5.1超載條件

根據相關研究，剪應力最大值出現在行車方向輪胎正前(后)方110 mm的位置，本文取輪胎正前方0.11 m的位置計算剪應力，三種路面結構在標準荷載、30%和100%超載條件下的剪應力隨深度分布計算結果如圖5～圖7所示。

結果表明：

1)三種路面結構的剪應力變化規律基本相當，最大值出現在路表下2 cm位置；

2)隨著荷載的增加，不同深度的剪應力結果分別增加了30%和100%，半剛性基層、柔性基層和組合式基層的最大剪應力位置均出現在路表下2 cm位置。

5.2超載+高溫條件

三種路面結構在超載30%+高溫和超載100%+高溫條件下的剪應力計算結果如圖8所示。

結果表明：相對于超載條件，在增加高溫條件下，不同結構各層的剪應力出現了先減小后增大的規律，并隨著深度的增加，減小幅度逐漸降低，增大幅度逐漸增大，剪應力出現增加的位置均為路表下18 cm。由此可見，高溫對瀝青層材料模量的影響導致了面層內部剪應力的減小，基層內部剪應力的增加。

6 拉應變

6.1超載條件

根據相關研究，基層層底拉應力最大值出現在行車方向輪跡中心點位置，本文取輪胎中心正下方，即(0，0)的位置計算拉應變，三種路面結構不同位置水平拉應變在標準荷載、30%和100%超載條件下的計算結果如圖9所示。

結果表明：

1)不同層位中，底基層底水平拉應變最大，三種路面結構的底基層拉應變大小基本相當，在12 με～13 με之間；基層底的水平拉應變中，柔性基層最小為4.94 με，半剛性基層與組合式基層相當，為9.03 με左右；下面層底的水平拉應變基本相當，約5.3 με～5.8 με之間。由此可見，底基層底產生開裂的風險相對較大，另外，柔性基層具有一定的抗裂性能。

2)三種路面結構的不同層位水平拉應變均隨著荷載的增加而增大，其中，底基層拉應變仍最大，達到了25 με左右。半剛性基層和組合式基層的拉應變大小依次為底基層>基層>下面層，柔性基層的拉應變大小依次為底基層>下面層>基層。

6.2超載+高溫條件

三種路面結構在超載30%+高溫和超載100%+高溫條件下的水平拉應變應力計算結果如圖10，圖11所示。

結果表明，半剛性基層下面層底應變小于0，處于受壓狀態，其余結構層的應變大于0，均處于受拉狀態。組合式基層下面層底和柔性基層底的應變增幅最大，柔性基層下面層底和基層底增幅相對較小。

7 結語

本文針對半剛性基層和柔性基層、組合式基層三種結構類型，采用實測溫度場和材料模量參數，通過理論計算分析瀝青路面關鍵力學指標在不同條件下的變化規律，主要結論如下：

1)在超載+高溫條件下，不同結構各層的壓應力出現不同程度的增長，且增長幅度隨深度的增加而增大，柔性基層路面壓應力增幅最大約164%，半剛性基層路面增幅最大約55%，組合式基層路面增幅最大約65%，柔性基層材料模量受溫度影響較大，導致路面受力變化幅度較大，而半剛性基層材料模量受溫度影響較小，對于瀝青層以下的壓應力影響基本不變[5]；

2)半剛性基層、柔性基層和組合式基層路面結構壓應力最大值均出現在路表處，最大剪應力位置均出現在路表下2 cm位置；

3)標準條件下，三種基層路面結構底基層底拉應變均為約25 με，產生開裂的風險相對較大；超載和高溫下增加了開裂風險，相比半剛性基層和組合式基層，柔性基層路面結構面層具有較優的抗裂性能，但是底基層拉應變最大達到約67 με，底基層開裂風險增加；

4)在超載和高溫條件下，半剛性基層下面層底處于受壓狀態，其余結構層均處于受拉狀態。組合式基層下面層底和柔性基層底的應變增幅最大，柔性基層下面層底和基層底增幅相對較小。