高速公路瀝青路面不同結(jié)構(gòu)層應(yīng)力分析

劉志華,尹 聰,劉明茜,曾慶偉,臧國帥,凌 聰

(1.天津高速公路集團(tuán)有限公司,天津 300000;2.中路交科科技股份有限公司,江蘇 南京 210000)

為研究高速公路長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)類型,以彈性層狀體系理論為基礎(chǔ),采用BISAR 3.0計算軟件,通過對比不同面層厚度及不同結(jié)構(gòu)層模量下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,為天津高速公路長壽命試驗(yàn)路方案設(shè)計及方案比選提供較為準(zhǔn)確、可靠的參考,同時也為長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)型式的拓展提供借鑒。

李蕓等[1]基于云羅高速公路長壽命試驗(yàn)路,分析了半剛性基層、剛性基層和柔性基層瀝青路面的三維應(yīng)力分布特征。結(jié)果表明,通過增加面層模量和厚度,適當(dāng)增加基層模量和土基模量,可以優(yōu)化瀝青路面的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,但基層模量不宜過高。

李浩等[2]采用Ansys有限元軟件進(jìn)行受力計算,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的半剛性基層相比,碾壓混凝土的溫度收縮系數(shù)更小,相同條件下的溫度應(yīng)力降低40%,抗裂性更好。

呂良宏[3]通過有限元計算和理論分析,對比分析了兩種不同瀝青路面結(jié)構(gòu)——半剛性基層和柔性基層的力學(xué)特性,并從理論上解釋了柔性基層如何提高瀝青路面的力學(xué)特性。

張志清等[4]通過建立三維有限元模型,模擬了軌道交通進(jìn)出公交港時路面結(jié)構(gòu)的變速移動荷載。數(shù)值分析結(jié)果表明,在車輛制動過程中,路面的垂直位移和層間剪應(yīng)力增加,路面結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力交替變化;在動荷載作用下,瀝青結(jié)構(gòu)層中最大剪應(yīng)力的位置發(fā)生變化,最易發(fā)生剪切破壞的部位是瀝青面層和面層與基層之間的接縫;進(jìn)站加速度的增加使路面層間剪應(yīng)力顯著增加,豎向位移略有增加。

黃磊等[5]介紹了半剛性基層的定義和特點(diǎn),闡述了半剛性瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的作用,利用BISAR軟件分析了各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力,探討了半剛性路面的合理厚度。

傅珍等[6]等采用BISAR軟件,分析了干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)的影響,并得出面層底部及基層底部應(yīng)力與厚度有關(guān),當(dāng)厚度增加時應(yīng)力逐漸變小;面層底部及基層底部應(yīng)力與動態(tài)壓縮模量有關(guān),當(dāng)動態(tài)壓縮模量增加時,應(yīng)力逐漸變大。

在之前研究基礎(chǔ)上,通過對比天津不同高速公路路面結(jié)構(gòu)層厚度和動態(tài)壓縮模量的變化,對豎向應(yīng)力和橫、縱向應(yīng)力的影響,并根據(jù)計算結(jié)果,推薦天津市高速公路典型路面結(jié)構(gòu)和厚度,為天津市新的高速公路路基路面設(shè)計時,提供數(shù)據(jù)支撐。

1 方案

1.1 天津高速公路路面結(jié)構(gòu)層現(xiàn)狀

1.1.1 路面結(jié)構(gòu)類型與基本情況

天津高速公路結(jié)構(gòu)層面層在2000年前后的建設(shè)探索期瀝青層材料主要為AC類或AK類材料,基層為水泥穩(wěn)定碎石或二灰碎石材料,底基層為石灰土;到了2005年前后的技術(shù)發(fā)展期瀝青層材料面層材料包含了AC/AK/SUP三種形式,由單層改性向雙層改性發(fā)展,面層材料厚度也有所增加;2015年前后的技術(shù)提升期路面結(jié)構(gòu)類型較為穩(wěn)定,瀝青層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為改性AC-13+改性AC-20+ATB-25/30結(jié)構(gòu)。

基層厚度在近些年基層厚度也逐漸增厚,從最初的15～16 cm到現(xiàn)在的22～23 cm;材料類型主要由二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石等構(gòu)成,為半剛性基層,半剛性基層材料具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度以及較強(qiáng)的荷載分布能力和穩(wěn)定的路面彎沉值,而且半剛性基層的抗壓和抗彎拉強(qiáng)度都隨齡期的增加而不斷增強(qiáng)。

1.1.2 荷載情況

圖1列舉了天津市2020年高速公路多條高速日均車流量及貨車占比。

圖1 2020年天津市高速公路日均車流量及貨車占比

由圖1可知,天津市高速公路在2020年車輛荷載等級總體來看較重。在選取的15條高速公路中,其中5條高速公路為特重荷載等級類型,5條高速為重型荷載等級類型,重型及以上荷載等級類型占比達(dá)66.7%。基于此情況,有必要對天津市已有高速公路路面結(jié)構(gòu)層類型和厚度進(jìn)行計算,推薦出較為合理的路面結(jié)構(gòu)類型與厚度。

1.2 模型建立

將路面結(jié)構(gòu)作為一種多層彈性體系,面層材料假設(shè)為粒式瀝青混凝土,動態(tài)壓縮模量根據(jù)不同路面結(jié)構(gòu)層材料查表確定。半剛性基層假設(shè)為二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石等材料,動態(tài)壓縮模量和厚度根據(jù)高速公路實(shí)際情況進(jìn)行確定;底基層假設(shè)為石灰土、二灰土等,動態(tài)壓縮模量和厚度根據(jù)高速公路實(shí)際情況進(jìn)行確定。

采用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)推薦的雙圓均布荷載,單輪接地當(dāng)量圓半徑為0.106 5 m,兩輪中心間距0.319 5 m,荷載壓力0.707 MPa,單輪設(shè)計軸載25 kN,輪胎接地壓強(qiáng)0.70 MPa,路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)計算采用BISAR 3.0軟件進(jìn)行線彈性計算。

1.3 典型高速選取

以選取的四條高速公路為基礎(chǔ),對比分析不同結(jié)構(gòu)層厚度、不同結(jié)構(gòu)層類型下的應(yīng)力變化,結(jié)構(gòu)層厚度、類型、動態(tài)壓縮模量和泊松比如表1～表4所示。

表1 濱保高速結(jié)構(gòu)層類型及厚度

表2 津石高速結(jié)構(gòu)層類型及厚度

表3 京哈高速結(jié)構(gòu)層類型及厚度

表4 長深高速結(jié)構(gòu)層類型及厚度

2 應(yīng)力計算結(jié)果

2.1 豎向應(yīng)力

根據(jù)BISAR 3.0軟件,將單輪接地當(dāng)量圓半徑為0.106 5 m,兩輪中心間距0.319 5 m,荷載壓力0.707 MPa,單輪設(shè)計軸載25 kN,輪胎接地壓強(qiáng)0.70 MPa基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以及結(jié)構(gòu)層厚度、模量等數(shù)據(jù)再次輸入,得到豎向應(yīng)力值結(jié)果,如表5所示。

表5 不同高速路面結(jié)構(gòu)層豎向應(yīng)力值

當(dāng)層位深度為0即路面時,不同高速路面結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力值均為-0.701 6 MPa;并且可以明顯看出各高速路面結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力由面層轉(zhuǎn)至基層時,豎向應(yīng)力值增加速率顯著提升。另外根據(jù)不同高速路面結(jié)構(gòu)層總厚度變化趨勢可知,當(dāng)總厚度越高時,傳遞至土基層上的豎向應(yīng)力越小,例如長深高速路面結(jié)構(gòu)類型一總厚度達(dá)96 cm,其達(dá)到土基上的豎向應(yīng)力為-0.001 829 MPa,濱保高速路面結(jié)構(gòu)達(dá) 79 cm,其達(dá)到土基上的豎向應(yīng)力為-0.002 342 MPa,豎向應(yīng)力下降了21.9%;而僅在面層時,下面層豎向應(yīng)力值與厚度呈現(xiàn)不規(guī)則變化,這是由于結(jié)構(gòu)層動態(tài)壓縮模量的不同導(dǎo)致,例如津石高速和長深高速結(jié)構(gòu)類型一下面層選用了泡沫冷再生混合料,動態(tài)壓縮模量為5 000 MPa,遠(yuǎn)低于AC、ATB、AK等類型混合料,因此導(dǎo)致不規(guī)則變化,并且可知,混合料動態(tài)壓縮模量值的大小對混合料豎向應(yīng)力值影響效果大于厚度。

再由對比京哈高速路面結(jié)構(gòu)類型一和結(jié)構(gòu)類型二可知,兩種結(jié)構(gòu)層總厚度均為84 cm,而京哈高速結(jié)構(gòu)類型二面層厚度為19 cm高于結(jié)構(gòu)2的16 cm,基層厚度低于結(jié)構(gòu)類型一的68 cm,但對比土基上層豎向應(yīng)力可知,結(jié)構(gòu)類型二的最底層應(yīng)力低于結(jié)構(gòu)類型一,表明面層厚度對豎向應(yīng)力的作用效果高于基層厚度的影響,同樣長深高速也呈現(xiàn)此變化趨勢。

2.2 橫、縱向應(yīng)力

根據(jù)BISAR 3.0的計算結(jié)果,橫向應(yīng)力變化如表6所示。

表6 不同高速路面結(jié)構(gòu)層橫向應(yīng)力值

根據(jù)BISAR 3.0的計算結(jié)果,縱向應(yīng)力變化如表7所示。

表7 不同高速路面結(jié)構(gòu)層縱向應(yīng)力值

不同高速橫、縱向應(yīng)力值在面層層位時均<0,在基層時橫向應(yīng)力值>0,表明橫向應(yīng)力值在面層和基層時,應(yīng)力值大小出現(xiàn)顯著變化。對比京哈高速結(jié)構(gòu)類型一和京哈高速結(jié)構(gòu)類型二,面層厚度增加后,各層橫縱向應(yīng)力均減小。對比濱保高速和津石高速可知,當(dāng)增加基層厚度時,基層各層橫向、縱向應(yīng)力均發(fā)生減少趨勢。

由長深高速結(jié)構(gòu)類型一和結(jié)構(gòu)類型二對比可知,長深高速結(jié)構(gòu)類型一面層中選用了泡沫瀝青混合料其動態(tài)壓縮模量遠(yuǎn)低于AC、AK、ATB等瀝青混合料,因此長深高速面層厚度為28 cm高于長深高速24 cm,其橫向、縱向應(yīng)力值低于結(jié)構(gòu)類型二。

由上述結(jié)論可知,上基層模量增加,下面層層底由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力,而上基層底由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為較大的拉應(yīng)力,其他層底應(yīng)力變化不顯著。可見適當(dāng)增加上基層模量對改善面層底應(yīng)力狀態(tài)有利,可以緩解因面層抗拉不足而出現(xiàn)的早期裂縫病害,但過大的基層模量會造成該層底拉應(yīng)力過大而出現(xiàn)疲勞破壞。

隨著面層厚度的不斷增加,各結(jié)構(gòu)層層底彎沉逐漸減小,但變化趨勢不大;瀝青面層層底的彎沉較基層以及底基層層底彎沉偏小。由此可知,雖然可以通過增加瀝青面層厚度來減小路面結(jié)構(gòu)的彎沉,但每增加2 cm,各結(jié)構(gòu)層層底的彎沉減小不大,而且瀝青面層厚度的增加會導(dǎo)致車轍病害的發(fā)生。將路面彎沉控制在設(shè)計彎沉以內(nèi),總體上可以保證路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時又考慮到,適當(dāng)增加瀝青面層厚度可以增加瀝青路面的低溫抗裂性,所以,在進(jìn)行半剛性基層瀝青路面設(shè)計時,要綜合考慮兩個因素來決定瀝青面層的合理厚度。

3 結(jié) 論

根據(jù)BISAR 3.0軟件計算天津市不同高速路面結(jié)構(gòu)下的豎向、橫向、縱向應(yīng)力結(jié)果可知。

(1)在面層時,下面層豎向應(yīng)力值與厚度呈現(xiàn)不規(guī)則變化,這是由于結(jié)構(gòu)層動態(tài)壓縮模量的不同導(dǎo)致;在基層時,當(dāng)總厚度越高時,傳遞至土基層上的豎向應(yīng)力越小,如長深高速路面結(jié)構(gòu)高于濱保高速公路,但豎向應(yīng)力下降了21.9%。

(2)在各層動態(tài)壓縮模量相似時。對于面層來說,面層厚度增加后,各層面層層底橫、縱向應(yīng)力均減小;當(dāng)增加基層厚度時,基層各層橫向、縱向應(yīng)力均發(fā)生減少趨勢。

(3)各結(jié)構(gòu)層動態(tài)壓縮模量值對應(yīng)力的影響大于結(jié)構(gòu)層厚度的影響。

(4)根據(jù)結(jié)果,推薦在新的高速公路路基路面設(shè)計時,選用濱保高速公路及津石高速公路路面結(jié)構(gòu)類型及厚度。