基于麥路軟件的高性能瀝青路面力學性能分析

彭紅衛 孫劍峰 呂紹文

（湖南省交通科學研究院有限公司）

0 引言

瀝青路面是一種路用性能優異并被廣泛應用的路面類型。隨著我國經濟和物流持續高速發展，公路交通具有流量大、速度高、軸載重的特征，道路路面若長期處于重載環境下易出現車轍、開裂等路面病害，提前進入大中修養護階段，給社會經濟帶來巨大的損失，可見提高瀝青路面使用壽命已成為中國道路領域的重要任務[1]。各國高級瀝青路面結構材料組成、設計標準及控制指標各有差異[2]，因此高性能瀝青路面結構組成各具特色。國內發展歷史長、應用面廣的半剛性基層瀝青路面也開展了長壽命研究[3]，國內學者也進行了多類長壽命瀝青路面結構的探索研究[4,5]，并開展了各類耐久性瀝青路面結構力學性能研究[6,7]。道路結構設計標準、使用環境、交通環境、維保條件等不盡相同，雖國內外學者多年來開展了廣泛深入的研究，修筑了多條試驗路段，取得了豐富的研究成果，但整體上并未出現國內外公認的、統一的、標準的長壽命、耐久性高性能瀝青路面結構。各高性能瀝青路面結構的部分力學響應規律有所研究[8]，但尚未見綜合性能分析對比研究。本研究選出了具有代表性的5 種高性能瀝青路面結構，前4 種結構均已成功應用于工程實踐，結構五為本項目研究并推薦的一種全柔性長壽命瀝青路面結構，開展了力學指標、驗算指標計算與綜合性能分析，希望為更科學選擇優質瀝青路面結構提供重要參考。

1 路面結構方案

通過對國內外高性能瀝青路面結構進行調查，選取了五種代表性高等級瀝青路面結構作為研究對象，其中結構一為我國普通高速公路半剛性基層瀝青路面典型結構[9]、結構二為山東濱州全厚式長壽命瀝青路面試驗段結構[5]、結構三為國外耐久性全柔式瀝青路面典型結構[10]、結構四為濟萊高速全柔性高性能瀝青路面試驗段結構[11]、結構五為推薦的全柔性長壽命瀝青路面結構（FFPAP）[12]。根據《公路瀝青路面設計規范（JTG D50-2017）》[13]和相關文獻資料確定了各結構的計算參數，具體結果如表1 所示。結構一為我國普通高速公路瀝青路面典型結構，路面瀝青層厚度、總厚度均最小，為典型半剛性基層瀝青路面結構；結構二為山東濱州全厚式長壽命瀝青路面試驗段結構，路面總厚度最大，瀝青層厚度42㎝；結構三為國外耐久性全柔式瀝青路面典型結構、結構四為濟萊高速全柔性高性能瀝青路面試驗段結構，兩種結構材料類似、瀝青層厚度一致，各層厚度組成略有不同，結構三路面瀝青層中面層厚于下面層、而結構四反之，且結構三基層厚度高于結構四、總厚度高于結構四；結構五為通過理論分析提出的全柔性長壽命瀝青路面結構，面層、基層均為瀝青層，瀝青層厚度最大73㎝，總厚度居中。

表1 五種典型高性能瀝青路面結構方案

2 路面結構Mpave 分析模型

采用麥路（Mpave）軟件進行力學分析與模擬計算。Mpave 軟件是專門用于瀝青路面結構設計和結構驗算的標準化商業在線軟件，其路面結構計算的荷載是雙圓均布垂直荷載，路面結構體系為彈性半空間層狀連續體系，與我國現行規范《JTG D50-2017 公路瀝青路面設計規范》適配。

研究的瀝青路面力學分析指標分別是路表彎沉、豎向位移、豎向壓應力、水平拉應變。圖1（a)、（b)給出了三維力學模型坐標、力學模型離散網格圖。

圖1 計算模型及荷載分布圖

Mpave 軟件支持定義豎向路徑、水平路徑，且路徑對稱于坐標原點，計算之后可輸出力學云圖。相關力學指標主要有UX、UY、UZ、SX、SY、SZ、SXY、EX、EY、EZ、EXY。

計算用的標準軸載為0.7MPa，雙圓荷載半徑為0.1065m，兩輪中心距為0.3195m，層間完全連續。坐標軸X 軸、Y 軸與Z 軸分別對應著路面模型的垂直行車方向、豎直方向、沿行車方向。坐標原點在雙圓荷載的中心點，符合《JTG D50-2017 公路瀝青路面設計規范》的要求。

3 力學指標計算結果與分析

根據Mpave 軟件計算得到五種路面結構的路表彎沉UY（沿X 軸）如圖2 所示。從圖2 數據分析可知，相同軸載條件下，不同瀝青路面結構的路表彎沉UY（沿X軸）分步規律基本一致，但大小不同。結構二即山東濱州全厚式長壽命路面試驗段結構的路面剛度最大，推薦的FFPAP 結構的路面剛度次之，從而可以減小路面變形的發生。

得到五種路面結構雙圓中心處沿深度的豎向位移UY（沿Y 軸）如圖3 所示。從圖3 數據分析可知，相同軸載條件下，不同瀝青路面結構的深度豎向位移UY（沿Y軸）分布規律基本一致，但大小不同，比較結果與路表彎沉基本相同。

圖3 沿深度的豎向位移UY（沿Y 軸）

得到五種路面結構雙圓中心處沿深度的豎向壓應力SY（沿Y 軸）如圖4 所示。由圖4 可知，在兩圓荷載下，中心點C 的豎向壓應力在Y=0 時，結構二壓應力，其余結構為拉應力；五種結構的豎向壓應力分別在瀝青層內達到最大值；五種結構的豎向壓應力在基層和底基層內隨深度的增加而減小，隨著路基深度的增加，壓應力值趨近0。整體上，瀝青層沿深度的豎向壓應力SY（沿Y軸）最大值由小到大順序為：結構三＝結構四＜結構二＜結構五＜結構一。五種典型瀝青路面層最大壓應力值整體上差異不大，瀝青層材料抗壓強度高于抗拉強度，易受拉開裂和進一步壓縮產生變形積累。

圖4 沿深度的豎向壓應力SY 圖（沿Y 軸）

得到五種路面結構的沿垂直行車方向的水平拉應變EX（沿Y 軸）如圖5 所示。由圖5 可知，五種結構在兩圓荷載下，中心點C 沿垂直行車方向的水平拉應變在Y=0 時，均為拉應變，隨著深度的增加，先減小至0，后變為壓應變及拉應變；五種結構均在面層內存在一個最大水平壓應力；結構三、結構四沿垂直行車方向的水平拉應變在基層頂和路基頂分別增加到一個極大值，并分別在基層和路基內隨著深度的增加而減小，在底基層內隨著深度的增加而增大；結構一、結構二和結構五的沿垂直行車方向的水平拉應變在路基頂得到一個最大值，在路基內隨深度增加壓應力逐漸減小；五種結構沿垂直行車方向的路基頂的水平拉應變較大，且面層內壓應變較大的是結構二、結構三和結構四，較小的是結構一與結構五。說明推薦的FFPAP 結構沿垂直行車方向的水平變形小，穩定性高。整體上，瀝青層路表沿垂直行車方向的水平拉應變EX（沿Y 軸）由小到大順序大致為：結構三＜結構四＝結構二＜結構五＜結構一；瀝青層內沿垂直行車方向的水平拉應變EX（沿Y 軸）最大值由小到大順序大致為：結構五＜結構一＜結構四=結構二＜結構三。

圖5 沿垂直行車方向的水平拉應變EX 圖（沿Y 軸）

4 驗算指標計算結果與分析

以湖南省某普通高速公路設計參數為例，具體見表2 所示，分別對五種路面結構進行力學計算與分析，結果見圖6 所示。由圖6 可知，在同樣的高速公路設計參數與交通荷載下，五種結構的驗算參數差異明顯，區別如下：

圖6 五種典型結構驗算參數對比圖

表2 湖南某高速公路設計輸入參數

對于瀝青路面路表驗收彎沉越小要求越高。結構五明顯小于結構一到結構四，結構一、三、四基本一致，結構二略小于結構一、三、四，其中結構五瀝青層厚度最大，要求最高。路表驗收彎沉由小到大順序為：結構五＜結構二＜結構三＜結構一＜結構四。

對于瀝青層車轍或永久變形越小越好?！禞TG D50-2017 公路瀝青路面設計規范》中要求高速公路（一級公路）結構設計時，半剛性基層容許永久變形或車轍深度要求≤15mm、其他基層要求≤10mm，其中除了結構一為半剛性基層，滿足≤15mm 車轍要求外，結構二到結構五均為柔性基層，不滿足≤10mm 車轍要求，其中結構五最大，這也說明JTG D50-2017 規范對于全柔性瀝青路面結構永久變形驗算指標是不適用的。路表驗收彎沉由小到大順序為：結構一＜結構三＜結構四＜結構二＜結構五。

對于瀝青層疲勞壽命越大越好。半剛性基層不要求驗算瀝青層疲勞壽命，結構二到結構四疲勞壽命基本相當，結構五疲勞壽命明顯高于結構二、三、四。瀝青層疲勞壽命由小到大順序為：結構三＜結構二＜結構四＜結構五。

對于瀝青層低溫開裂指數越低越好。結構一低溫開裂指數最高，表明低溫抗開裂性能最弱；結構五最低，表明低溫抗開裂性能最好。瀝青層低溫開裂指數由小到大順序為：結構一＜結構三=結構四＜結構二＜結構五。

綜上所述，五種結構驗算指標中，綜合性能最佳順序為：結構五＞結構二＞結構三≈結構四＞結構一。

5 綜合分析

在同樣的交通軸載和設計條件下，綜合對路表彎沉、豎向位移、豎向壓應力、水平拉應變、路表驗收彎沉、瀝青層車轍、疲勞開裂壽命、低溫開裂指數等八個力學指標計算與分析匯總如表3 所示，各力學指標對應的力學性能由好到差按①②③④⑤排序，其中按①②③④⑤賦值5 分、4 分、3 分、2 分、1 分進行得分計算，綜合力學性能由好到差排序為：結構五＞≈結構二＞結構一＞≈結構三＞≈結構四?？梢妰H考慮力學因素，瀝青層厚度足夠大的長壽命瀝青路面結構五、二的綜合力學性能明顯優于其它三種高級瀝青路面結構，結構二路面總厚度高于結構五49cm，但結構五瀝青層厚度高于結構二31cm，表明瀝青層厚度大比總厚度大更具優勢；我國常用半剛性基層高速公路瀝青路面與國內外普通高性能全柔性瀝青路面結構三、四綜合力學性能相當。

表3 五種典型高性能瀝青路面結構力學分析匯總

6 結論

研究了5 種典型的國內外高性能瀝青路面結構的力學性能，通過力學分析與總結，獲得如下結論：

⑴國內外典型高性能柔性基層瀝青路面結構的瀝青層普遍較厚，遠高于我國普通高速公路瀝青路面瀝青層厚度。

⑵瀝青層厚度足夠大的長壽命瀝青路面結構的綜合力學性能明顯優于其它高性能瀝青路面結構；半剛性基層瀝青路面高級路面結構與國內外普通高性能全柔性瀝青路面結構綜合力學性能相當。

⑶推薦的FFPAP 全柔式長壽命瀝青路面結構的綜合力學性能最佳，具有水平拉應變小、疲勞壽命長、低溫抗開裂性能好等優點，但存在豎向壓應力大、永久變形量偏大等不足。

⑷《JTG D50-2017 公路瀝青路面設計規范》中容許永久變形量要求不適用于全柔性高性能厚瀝青路面結構，驗算均難滿足規范要求。