孫建秀 丁婷婷

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司山東省高性能綠色路用材料工程技術(shù)研究中心 濟(jì)南 250031)

柔性路面因其耐久性好，無反射裂縫等優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視，長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)研究多以柔性路面為出發(fā)點(diǎn)，以避免半剛性路面基層開裂導(dǎo)致的各種路面損壞[1-2]。良好的路面性能是路面各結(jié)構(gòu)層與路基的合理組合結(jié)果，任一結(jié)構(gòu)層發(fā)生變化，會(huì)影響其他各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)力響應(yīng)，進(jìn)而造成路面性能的改變。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)柔性路面進(jìn)行了大量研究，主要結(jié)論有：增加路基模量可以提高土基永久變形預(yù)估壽命[3]；瀝青層疲勞預(yù)估壽命受土基模量變化的影響較小[4]；面層模量增大，該層的剪應(yīng)力將增大而剪應(yīng)變顯著降低，中面層模量變化對(duì)路面剪應(yīng)變的影響最大[5]；各結(jié)構(gòu)層模量的增加可以提高荷載的擴(kuò)散能力，減小路基的荷載應(yīng)力。若路基和路面中有一項(xiàng)性能不足，路面性能即不能滿足規(guī)范要求，因此需要綜合考慮路基路面設(shè)計(jì)指標(biāo)[6]。作為路面設(shè)計(jì)的重要輸入?yún)?shù)，模量的變化對(duì)路面各項(xiàng)性能的影響不容忽視。

綜上，雖然研究者對(duì)柔性路面力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)研究，但并未系統(tǒng)分析不同結(jié)構(gòu)層模量對(duì)柔性路面性能的影響。本文以JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)為基礎(chǔ)，通過變化不同結(jié)構(gòu)層模量，系統(tǒng)研究模量變化對(duì)柔性路面結(jié)構(gòu)性能的影響。

《規(guī)范》中規(guī)定，柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有：瀝青混合料層層底拉應(yīng)變、瀝青混合料層永久變形量，以及路基頂面豎向壓應(yīng)變，路表彎沉雖然不再作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，但仍可作為路面交工驗(yàn)收指標(biāo)，本文主要對(duì)以上4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究。

1 初擬路面結(jié)構(gòu)及各層模量變化值

以山東省典型路面結(jié)構(gòu)為例，以《規(guī)范》給出的結(jié)構(gòu)層模量最小值為初擬結(jié)構(gòu)層模量值，泊松比取《規(guī)范》推薦值，具體路面結(jié)構(gòu)見表1。

表1 初擬柔性路面結(jié)構(gòu)

根據(jù)《規(guī)范》給出的瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量，取值范圍按間距1 000 MPa取值，研究不同瀝青混合料層模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響；以100 MPa為間距在《規(guī)范》給出的級(jí)配碎石材料模量取值范圍內(nèi)取值研究其影響；路基模量取值間隔為10 MPa，各結(jié)構(gòu)層具體取值見表2。

表2 柔性結(jié)構(gòu)層模量變化表

本文采用單一變量法對(duì)各結(jié)構(gòu)層模量變化值進(jìn)行研究，為方便后續(xù)計(jì)算結(jié)果的分析，以序號(hào)代表各層模量的取值。

2 模型建立

2.1 模型計(jì)算原理

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文暫不考慮瀝青混合料的黏彈塑性特征，同時(shí)為與《規(guī)范》設(shè)計(jì)方法相統(tǒng)一，路面結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論。

2.2 荷載計(jì)算參數(shù)與計(jì)算點(diǎn)位確定

根據(jù)《規(guī)范》，采用軸重為100 kN的單軸雙輪組軸載作為設(shè)計(jì)軸載，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，單輪接地當(dāng)量圓直徑為213 mm，兩輪中心距為319.5 mm。

各設(shè)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算點(diǎn)位圖示見圖1，選取A、B、C、D4點(diǎn)位置計(jì)算最大力學(xué)響應(yīng)量。

圖1 力學(xué)響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置圖示

3 結(jié)構(gòu)層模量變化對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響

3.1 對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的影響

《規(guī)范》規(guī)定，級(jí)配碎石基層瀝青路面應(yīng)驗(yàn)算瀝青混合料層疲勞開裂壽命是否大于設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)，疲勞開裂壽命計(jì)算參數(shù)為瀝青混合料層層底拉應(yīng)變，為了研究各層模量對(duì)瀝青層力學(xué)響應(yīng)的差異，根據(jù)彈性層狀體系理論，利用有限元軟件計(jì)算瀝青混合料層層底各計(jì)算點(diǎn)的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。結(jié)果表明，瀝青混合料層層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的最大值點(diǎn)位于雙圓荷載圓心連線的中點(diǎn)C點(diǎn)處，不同結(jié)構(gòu)層模量下瀝青混合料層層底拉應(yīng)變和拉應(yīng)力結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 不同結(jié)構(gòu)層模量下瀝青混合料層層底拉應(yīng)變

圖3 不同結(jié)構(gòu)層模量下瀝青層層底拉應(yīng)力

由圖2可見，瀝青混合料層層底拉應(yīng)變隨各結(jié)構(gòu)層模量的增加而減小，中下基層、上基層模量對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變的影響最明顯，其次是底基層、上面層、下面層、中面層，為減小層底拉應(yīng)變，增加瀝青混合料層疲勞開裂壽命，可適當(dāng)增大上基層、中下基層模量。

由圖3可見，上基層和中下基層模量的變化對(duì)瀝青混合料層層底拉應(yīng)力變化影響最大，隨著中下基層模量的增大，瀝青混合料層層底拉應(yīng)力減小，與瀝青混合料層層底拉應(yīng)變變化規(guī)律一致；隨著上基層模量的增大，瀝青混合料層層底拉應(yīng)力增加，與瀝青混合料層層底拉應(yīng)變變化規(guī)律相反。

因此，在控制瀝青層層底拉應(yīng)變選擇，調(diào)整上基層模量時(shí)，需考慮上基層模量的增大對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)力的影響。

3.2 對(duì)瀝青混合料層永久變形的影響

由《規(guī)范》瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算公式可知，瀝青混合料層永久變形量是瀝青混合料層頂面壓應(yīng)變的函數(shù)，根據(jù)彈性層狀體系理論利用有限元軟件計(jì)算瀝青混合料層分層頂面各計(jì)算點(diǎn)的豎向壓應(yīng)力。由計(jì)算結(jié)果可知，豎向壓應(yīng)力的最大值點(diǎn)位于雙圓均布荷載的圓心A處。頂面的豎向壓應(yīng)力為0.716 MPa。

將初擬路面結(jié)構(gòu)瀝青層按《規(guī)范》規(guī)定劃分為8層，各層層厚分別為：10，15，15，20，20，20，80，120 mm，各瀝青混合料分層隨結(jié)構(gòu)層模量變化規(guī)律見圖4。

圖4 不同結(jié)構(gòu)層模量下瀝青混合料各分層豎向壓應(yīng)力

由圖4可見，隨著基層模量增加，瀝青混合料各層豎向壓應(yīng)力增大，但增加的量非常小，豎向壓應(yīng)力值主要受面層模量變化的影響，瀝青混合料各層豎向壓應(yīng)力隨著上面層、中面層模量的增大而減小，隨著下面層模量的增大而增大(第8分層除外)。

為滿足《規(guī)范》中瀝青混合料層永久變形量的要求，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可選取較大模量的上面層和中面層，較小模量的下面層和上基層，同時(shí)保證材料滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)動(dòng)態(tài)模量的要求。

3.3 對(duì)路基頂面豎向壓應(yīng)變的影響

《規(guī)范》要求滿足路基頂面豎向壓應(yīng)變應(yīng)小于由當(dāng)量軸載作用次數(shù)計(jì)算求得的路基頂面容許豎向壓應(yīng)變值，當(dāng)計(jì)算結(jié)果不滿足要求時(shí)，應(yīng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)模量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)材料做出要求。

根據(jù)彈性層狀體系理論，利用有限元軟件計(jì)算路基頂面各計(jì)算點(diǎn)的豎向壓應(yīng)變，由計(jì)算結(jié)果可知，路基頂面豎向壓應(yīng)變最大值點(diǎn)位于雙圓荷載圓心連線的中點(diǎn)C點(diǎn)處。路基頂面豎向壓應(yīng)變最大值隨結(jié)構(gòu)層模量變化的結(jié)果見圖5。

圖5 不同結(jié)構(gòu)層模量下路基頂面豎向壓應(yīng)變

由圖5可知，隨著各結(jié)構(gòu)層模量的增加，路基頂面豎向壓應(yīng)變值減?。桓鹘Y(jié)構(gòu)層模量對(duì)路基頂面壓應(yīng)變的影響程度排序?yàn)椋郝坊?底基層>中下基層>上基層>上面層>中面層>下面層；為減小路基頂面壓應(yīng)變，可嘗試增大路基模量或底基層模量。

3.4 對(duì)路表彎沉的影響

路面交(竣)工驗(yàn)收時(shí)應(yīng)對(duì)路表彎沉值進(jìn)行檢測(cè)，要求實(shí)測(cè)路表彎沉值應(yīng)不大于路表驗(yàn)收彎沉值。根據(jù)彈性層狀體系理論計(jì)算路基頂面各計(jì)算點(diǎn)的豎向壓應(yīng)變，由計(jì)算結(jié)果可知，路表彎沉最大值點(diǎn)位于雙圓均布荷載的圓心A處。路表彎沉值最大值隨著結(jié)構(gòu)層模量變化的結(jié)果見圖6。

圖6 不同結(jié)構(gòu)層模量下路表彎沉值

由圖6可知，隨著各結(jié)構(gòu)層模量的增大，路表計(jì)算彎沉值減小，對(duì)路表彎沉影響較大的是路基模量、中下基層模量、底基層模量，可通過調(diào)整以上結(jié)構(gòu)層的模量調(diào)整路表彎沉計(jì)算值。

4 結(jié)語

本文從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，依據(jù)彈性層狀連續(xù)體系理論，利用有限元軟件計(jì)算柔性基層瀝青路面各設(shè)計(jì)指標(biāo)的力學(xué)響應(yīng)值，研究不同結(jié)構(gòu)層模量下，路面力學(xué)響應(yīng)的變化規(guī)律，為后期各結(jié)構(gòu)層模量的選擇提供依據(jù)，并對(duì)不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正提供依據(jù)，主要結(jié)論如下。

1) 面層模量和路基模量的變化對(duì)瀝青混合料層層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的影響較小，僅從提高瀝青混合料層疲勞壽命的角度考慮，可不對(duì)面層模量和路基模量作出要求；隨著中下基層模量的增大，瀝青混合料層層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變同時(shí)均減小，可通過增加中下基層的模量提高瀝青混合料層疲勞壽命；隨著上基層模量的增大，瀝青層層底拉應(yīng)力增大而拉應(yīng)變減小，因此不能通過過分增加上基層模量的方法提高瀝青混合料層的疲勞壽命，還應(yīng)考慮其對(duì)瀝青混合料層層底拉應(yīng)力的影響。

2) 可通過調(diào)整面層模量對(duì)瀝青混合料層永久變形量進(jìn)行調(diào)整，隨著上面層、中面層模量的增大，瀝青混合料各分層豎向壓應(yīng)力減小，隨著下面層模量的增大，各分層豎向壓應(yīng)力增大，為減小瀝青混合料層永久變形量，可提高上面層、中面層模量，減小下面層模量。

3) 隨著路基路面各層模量的增大，路基頂面豎向壓應(yīng)變減小，路基模量對(duì)路基頂面壓應(yīng)變的影響最大，其次是底基層，可通過增大路基模量、底基層模量的方法減小路基頂面壓應(yīng)變。

4) 隨著路基路面各層模量的增大，路表彎沉值減小，路基模量對(duì)路表彎沉的影響最大，其次是底基層、中下基層，可通過增大路基模量、底基層模量或中下基層模量的方法減小路表彎沉。

5) 為滿足柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能的要求，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初擬路面結(jié)構(gòu)時(shí)，宜選擇規(guī)范推薦模量范圍中較大的上面層、中面層、中基層、下基層和路基模量，較小的下面層模量，合適的上基層模量。同時(shí)，要考慮路面材料設(shè)計(jì)要求，保證材料設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合。