高速公路高模量瀝青混凝土面層施工技術探究

傅愛蓉

（江西贛東路橋建設集團有限公司,江西 撫州 344000）

0 引言

我國疆土遼闊，資源豐富，不同地域自然氣候和水文地質各不相同，我國北方地區由于交通量較大且年溫度變化幅度較大，導致瀝青路面出現不同程度的破壞，而高模量瀝青混合料具有較好路用性能，可以有效增強路面強度和承載能力，延長道路使用年限[1]。因此，該文通過ABAQUS有限元軟件分析瀝青混合料模量為6 000 MPa、7 000 MPa、8 000 MPa、9 000 MPa、10 000 MPa時，對層底等效應力、最大主應力及最大剪應力響應進行研究，確定最佳瀝青混合料模量，并分析高速公路高模量瀝青路面施工工藝，對高模量瀝青路面層施工工藝研究和推廣具有重要意義[1]。

1 工程概況

某高速公路位于平原地段，對該路段調查發現當地交通量較大且存在較多重載貨車通行，對當地水文地質調查發現，項目路段現場晝夜溫差較大，夏季一天溫差超過20 ℃，且雨季時降雨量較大。為保證項目路段具有較好的路用性能，因此采用高模量瀝青混合料進行施工，瀝青混合料模量過高時，不會再繼續延緩路面裂縫產生，只會增加施工成本。

2 高模量瀝青混合料面層應力分析

2.1 有限元建模

瀝青模量不足時，會導致瀝青面層出現裂縫等病害，瀝青混合料模量過大時，會造成施工成本過大。為確定瀝青路面最佳模量[2]，該文采用ABAQUS有限元軟件進行應力分析。

2.1.1 模型尺寸與網格劃分

為更好地模擬高模量瀝青路面，該文采用瀝青混合料面層長度2 m、寬度1.5 m、厚度為12 cm，水泥穩定碎石基層長度2 m、寬度1.5 m、厚度22 cm，級配碎石底基層長度2 m、寬度1.5 m、厚度18 cm。參照瀝青路面設計規范，確定面層各基層寬度、厚度及彈性模量、泊松比等參數，如表1所示。

表1 瀝青路面材料參數

采用有限元軟件對模型結構進行網格化加密處理。網格劃分過粗，可能會導致計算精度達不到要求，網格劃分過密，會加大工作量。因此，須根據研究需要，合理地進行網格劃分。道路中間施加車輛荷載位置處網格數量較密，道路兩邊較粗，最終網格劃分結果為高模量瀝青層結構劃分7 500個網格，水泥穩定碎石基層和級配碎石底基層9 500個網格，有限元計算模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 瀝青路面結構模型圖

2.1.2 荷載與邊界條件

行車荷載根據《公路瀝青路面規范》（JTG D50—2017）要求，輪胎內壓為0.7 MPa，轉換公式如下所示：

式中，L——行車方向矩形長度；A——車輪與路面接觸面積，單軸雙輪矩形荷載作用區域圖如圖2所示。

圖2 單軸雙輪矩形荷載作用區域圖

瀝青路面結構模型邊界條件為：底基層正下方邊界條件設置為完全固定：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，底基層及瀝青面層四周邊界條件設置為完全固定：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。瀝青路面結構荷載及邊界條件圖如圖3所示。

圖3 瀝青路面結構荷載及邊界條件圖

2.2 面層模量對層底應力響應分析

為研究不同瀝青混合料模量對瀝青面層層底應力響應，該文采用有限元軟件模擬瀝青路面結構，設置瀝青混合料模量為6 000 MPa、7 000 MPa、8 000 MPa、9 000 MPa、10 000 MPa，并計算瀝青面層層底等效應力σe、最大主應力σ1及最大剪應力τmax，瀝青混合料模量為6 000 MPa時層底等效應力、最大主應力及最大剪應力如圖4～6所示。

圖4 層底等效應力應力云圖

圖5 層底最大剪應力應力云圖

圖6 層底最大剪應力應力云圖

為研究瀝青混合料面層層底三大應力之間的關系，設置分析步時間為1 s，三大應力與時間的關系如圖7所示。

由圖7可知，瀝青路面結構施加荷載在1 s分析步時間內，三大應力隨時間增加逐漸增大，在1 s時等效應力達到最大值0.47 MPa，最大主應力達到最大值0.31 MPa，最大剪應力達到最大值0.51 a，不難看出1 s分析步時間內，最大剪應力高于最大主應力高于等效應力。

圖7 三大應力與時間關系圖

為研究瀝青層模量對層底應力響應，瀝青層模量從6 000 MPa增加到10 000 MPa時，瀝青層層底三大應力有限元模擬結果如表2所示，瀝青層模量與應力關系如圖8所示。

表2 瀝青路面結構模擬結果表

圖8 瀝青層模量與應力關系圖

由圖8可知，瀝青層層底三大應力隨著瀝青層模量值的增加逐漸減小，最大主應力減小率分別為6.45%、10.34%、3.85%、8.00%，最大主應力減小率變化幅度差異性較大。對瀝青層模量與層底最大主應力進行線性擬合分析可得：y=-0.021x+0.533、R2=0.958 7，兩者呈線性變化趨勢。

等效應力減小率分別為2.13%、4.45%、2.33%、4.88%，由此可知，瀝青層模量變化對等效應力變化幅度影響較小，說明高模量瀝青面層具有較好的強度，施加車輛荷載，層底應力值不會大于材料的屈服應力值，面層不會發生橫向開裂等病害。對瀝青層模量與層底等效應力進行線性擬合分析可得：y=-0.015x+0.487、R2=0.986 8，兩者呈線性變化趨勢。

最大剪應力減小率分別為3.92%、2.04%、8.33%、2.21%，由此可知，瀝青層模量從9 000 MPa增加到10 000 MPa時，最大剪應力變化較小。這是因為瀝青層模量增加不會延緩應力從基層擴散到面層，豎向應力變化較小再增加瀝青層模量只會增加施工成本。因此結合瀝青層模量與層底應力響應可知，該項目工程高模量瀝青混凝土面層最佳模量為9 000 MPa。

3 施工工藝

3.1 施工前準備工作

高速公路高模量瀝青混凝土面層施工前需要進行清掃工作，保證工作面無多余雜質，為確保項目施工過程中施工人員的安全，需要提前對施工路段進行封閉。工程施工前還需提前檢查機械設備，保證機械設備無損壞，有損壞需要及時更換，儀器使用過程中不得出現問題[3]。

該項目工程高模量瀝青混凝土面層通過ABAQUS確定最佳模量為9 000 MPa，還需要在實驗室內制備高模量瀝青混合料馬歇爾試件，對其性能進行試驗檢測，檢測結果滿足要求才能投入工程使用。

3.2 拌和與運輸

高模量瀝青混合料面層材料需要滿足且由于規范要求，對瀝青、集料和礦粉等原材料進行檢測，滿足要求才能投入使用。該項目工程瀝青采用80號基質瀝青，集料采用玄武巖，油石比為5.5%。廠拌瀝青混合料在攪拌倉內溫度不得高于180 ℃、不得低于150 ℃[3]。

運輸過程中做好保溫工作，運輸車內溫度不得低于140 ℃，運輸車駕駛時控制駕駛速度，防止車輛行駛過程中出現急轉彎等問題。

3.3 攤鋪與壓實

攤鋪過程中攤鋪機運行速度控制在3 km/h，不得出現中途停車、掉頭等情況，應保證瀝青混合料攤鋪均勻[4]。

高模量瀝青混合料壓實施工時，為保證瀝青混合料強度與壓實度滿足要求，初壓遍數為2～3遍為佳，復壓遍數為4～6遍為佳，終壓遍數為2～4遍為佳[4]。

4 結語

為提高高速公路瀝青路面使用性能和使用年限，該工程采用高模量瀝青混合料作為面層，通過有限元軟件模擬不同瀝青混合料模量對層底力學響應，并結合實際瀝青路面施工，得到如下結論：

（1）瀝青混合料模量從6 000 MPa增加到10 000 MPa，瀝青層層底應力逐漸減小。

（2）通過ABAQUS分析最佳瀝青混合料模量為9 000 MPa。

（3）高模量瀝青混合料路面施工后，具有良好的施工質量。