低温状况下凤大高速公路路面结构应力分析

单楠，张云帆，李连友，周婷，颜加俊

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004;2.中国路桥工程有限责任公司，北京100011)

0 引言

沥青混凝土路面因其良好的路用性能，而被广泛应用于国内外各等级公路中，但是由于沥青混合料作为一种粘弹性体，其承载能力以及路用性能都会受到温度的影响显著，在低温状态下，沥青混合料的模量会随着温度的降低而显著的升高，在路面荷载应力以及温度应力的作用下，道路路面会产生裂缝［1-3］。但是低温状态下，荷载作用以及温度作用对道路路面裂缝贡献并不明确，本文通过试验确定了凤大高速公路沥青面层的抗压回弹模量，并通过有限元分析软件ANSYS计算低温状态下路面各结构层层底的荷载应力以及温度应力，明确了低温状态下，道路结构在行车荷载应力以及温度荷载应力作用下，各结构层层底应力的大小，并对荷载应力和温度应力对沥青路面裂缝贡献进行了初步分析。

1 沥青混合料模量试验

1.1 试验条件的确定

湖南省凤大高速公路地处湖南、贵州交界的省际边境区域，位于湖南省湘西西南部地区。地理坐标为东经109°18'～100°20'，北纬27°45'～28°00'。行政区划属于湖南省湘西自治州凤凰县。极端最低气温-8.5℃，极端最高气温39.9℃。本文考察路面结构层低温状态下的荷载应力以及温度应力，所以选取试验温度为-8.5℃，进行面层抗压回弹模量试验。

1.2 沥青混合料模量试验

凤大高速道路结构面层采用18 cm的沥青混凝土材料，上面层是4 cm的SMA—13，中面层是6 cm的AC—20C，下面层采用的是8 cm的AC—25C，具体级配组成参见表1，其中SMA—13、AC—20C使用的是SBS改性70#道路石油沥青，AC—25C使用的是70#道路石油沥青。SMA—13、AC—20C、AC—25C的最佳油石比分别为6%、4.2%、3.9%。

表1 沥青混合料级配组成

根据最佳油石比，按照上述级配拌制以上3种不同类型的沥青混合料，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T 0736—2011沥青混合料旋转压实试件制作方法(SGC方法)成型(尺寸为直径)Ф100 mm，高度h=100 mm的圆柱体试件，每种混合料平行试件6个。之后将试件放在MTS万能材料试验机专用的高低温环境试验箱中保温24 h以上，试验温度为-8.5℃。

将保温好的试件置于MTS试验机上，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T0713—2000沥青混合料单轴压缩实验(圆柱体法)进行试验。试验时将荷载分为7级，采用逐级加载-卸载，加载速率为2 mm/min，到达预定的加载速率后直接卸载，稳压30 s，测定出加载后变形和卸载后变形，差值即为回弹变形，根据回弹变形与荷载计算出抗压回弹模量。见表2。

表2 沥青混合料-8.5℃抗压回弹模量

根据现行规范，沥青混合材料常温下抗压模量设计参数如表3所示。

表3 沥青混合料常温状态设计参数

对比表2、表3可以看出，沥青混合料的抗压回弹模量随着温度的降低明显增大，3种混合料-8.5℃的模量是15℃时模量的2倍以上，由此可见，温度的作用对沥青混合料的抗压回弹模量影响是很大的，这主要是因为沥青混合料强度由骨料之间的嵌挤力和内摩擦力以及沥青与矿料间的粘聚力两部分组成，而随着温度的降低，沥青混合料由粘弹性体向弹性体进行转化，进而劲度模量逐渐增大，流变性减小，抗压回弹模量大大增加［4，5］。

2 行车荷载作用下沥青面层层底应力分析

当车轮荷载作用在沥青路面上时，路面各结构层都出现水平向正应力，有的出现压应力，也有的出现拉应力。各层位出现极限拉应力的大小、次序与分布状况因轮载的位置与整个路面结构的层位不同而不同。沥青路面结构在车轮的反复作用下，沥青面层和刚性、半刚性基层的层底拉应力超过极限，形成初始裂缝并扩展至断裂的过程，属疲劳断裂，因此荷载作用是道路结构产生裂缝的原因之一［1］。

2.1 路面计算模型

行车荷载作用于模型时计算假设:

1)各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的;

2)各层位移和形变是微小的;

3)层间接触情况，或者位移完全连续，或者层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力;

4)不计自重。

进行有限元计算的基础几何模型和边界条件如图1所示。

图1 计算模型与边界条件

根据现有的研究成果，本文的模型长8 m，高度4.74 m进行计算，符合计算精度要求［6］。路面结构采用凤大高速路面结构层，沥青面层的模量均为试验实测值，半刚性基层的模量受温度影响不大，采用的是规范推荐的中值，各结构层的材料性能指标以及厚度如表4所示。

表4 计算模型结构参数

2.2 加载方式

在考虑行车荷载对路面的作用时，我国现行的公路沥青路面采用的是双轮组单轴载100 kN为标准轴载，即BZZ—100，BZZ—100采用的轮压为0.7 MPa，当量圆直径是10.66 cm的圆形均布荷载。但是近年来，很多学者认为，使用矩形荷载更能模拟轮胎与路面的实际接触情况［7］。本文有限元荷载都是标准荷载，只是将圆形均布荷载转化为矩形荷载来计算，转化到该计算模型后施加的压力长度为15.68 cm，轮压0.7 MPa。

本文对模型两侧进行x位移约束，对土基底部进行x、y位移约束，并将矩形荷载施加在面层顶部中间，大小为0.7 MPa。当车辆在路面上制动或者加速时，需要考虑水平荷载的影响，根据调查资料显示，水平荷载一般为竖直荷载的0.3倍，即0.21 MPa，作为水平荷载，位置同竖直荷载。

2.3 计算结果及分析

根据上述路面结构以及加载方式进行ANSYS计算，得到水平方向各层位应力分布图如图2所示。

图2 荷载应力分布图

计算结果显示，荷载作用中心位置应力较大，各层层底拉应力计算结果如表5所示。

表5 荷载应力作用下各层层底应力

表5计算结果表明，在荷载应力作用下，沥青面层层底是压应力，而水稳基层层底是拉应力。

3 温度荷载作用下沥青面层层底应力分析

温度荷载和行车荷载一样，是使道路结构产生拉应力的重要因素，日和季节性的温度循环会使路面结构上产生很大的疲劳温度应力，在气温骤降的情况下会产生很大的拉应力，有可能导致沥青路面的一次性拉断。本节用ANSYS对路面突然降温时的温度场进行数值模拟，计算道路各结构层底的应力大小［6］。

3.1 路面计算模型

在分析中，将路面结构体假定为平面应变温度应力的弹性体，不考虑沥青混凝土的粘弹性，近似模拟沥青路面在温度改变时其内部应力状况。本文采用ANSYS计算中间接耦合法计算。

温度荷载计算时做以下基本假设:

1)各结构层材料为均匀、各向同性的弹性材料;

2)各层位位移和形变是微小的;

3)各结构层的温度场及温度应力计算参数不随温度变化，为常数;

4)温度场计算时，路面各结构层的层间界面在温度变化过程中，始终处于完全连续状态;

在进行温度应力计算时路面结构层间界面状态与行车荷载作用模型相同。

3.2 温度应力分析参数的选取

温度应力计算的道路结构，依然选取荷载应力计算时凤大高速道路结构，沥青路面温度应力的计算，与沥青路面的结构层厚度、路面材料的热物参数和力学参数有很大关系，本文根据调查资料，确定了风大路面温度应力分析的参数，如表6所示。

表6 温度应力分析参数

3.3 边界条件确定以及计算结果

在温度场计算的时候只有温度边界条件，为了模拟路面结构突然降温的情形，选取高速冬季最不利季节的情形，在面层顶部设置路面极低温度-8.5℃的降温幅度，在面层底部和基层顶面设置-5℃的降温幅度，在土基顶部认为温度不随外部气候的变化而变化，降温幅度为0℃。进行温度应力的计算时在模型的左右两侧以及地面设置位移边界条件，将温度场计算的结果作为荷载施加于模型中。具体结果见温度分布图图3与应力分布图图4。

图3 温度应力计算模型温度场计算结果

图4 温度应力计算结果

温度应力作用下各层层底应力情况如表7所示。

表7 温度应力作用下各层层底应力

温度应力计算结果显示，在沥青面层和水稳基层层底，均是拉应力，并且面层拉应力大于基层。

4 结论

在气候温度调查的基础上，对凤大高速路面结构中几种路面材料在极寒温度下进行抗压模量试验，得到了凤大高速公路几种路面材料的低温模量。在所得模量基础上，利用有限元分析软件ANSYS进行了计算，得到了在极低温度下路面结构在荷载作用下与温度作用下各结构层层底应力大小情况，分析得到以下结论:

1)基于凤大高速的路面结构，进行了低温模量试验，对比了常温下沥青混合料的模量，可以发现，沥青混合料的模量受温度影响较大，-8.5℃的模量是15℃时模量的2倍以上，这是由于随着温度的降低，沥青混合料由粘弹性体向弹性体进行转化，进而劲度模量逐渐增大，流变性减小，抗压回弹模量大大增加。

2)基于凤大高速路面结构，通过模量试验数据进行荷载应力计算，可以得知，在极低温度状态下，道路结构在车辆荷载作用下，沥青面层层底应力是压应力，半刚性基层层底是拉应力，从面层到基层总体趋势是由压转拉。同时进行了温度荷载应力计算，可以得知，沥青面层层底与基层层底应力全是拉应力，面层拉应力从上往下由大转小，基层层底拉应力几乎不变。

3)沥青路面在低温下，裂缝是主要病害，通过对凤大高速路面结构行车荷载应力与温度应力计算可知，行车荷载应力作用下，沥青面层层底应力主要是压应力，在半刚性基层层底才出现拉应力，所以在荷载的作用下会使半刚性基层先开裂，然后在车辆荷载与温度荷载的联合作用下，形成反射裂缝，而在温度应力的作用下，沥青面层和半刚性基层层底都是拉应力，这样就可能形成上述所说的反射裂缝，也可能在温度骤降过程中，导致沥青路面一次拉断，形成top-down裂缝。

［1］邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］韦佑坡，司伟，马骉.多年冻土地区沥青混合料抗压回弹模量性能研究［J］.武汉理工大学学报，2012，34(3):56-59.

［3］姚爱玲，张西玲，王选仓.测试方法对沥青混合料抗压回弹模量的影响［J］.长安大学学报(自然科学版)，2005，25(6):21-24.

［4］孟岩，李志勇，梅迎军，等.沥青混合料抗压回弹模量温度修正系数研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，2008，36(3):182-186.

［5］LIXue.Investigation of the Fracture Resistance of Asphalt Mixture at Low Temperatureswith a Semi Circular Bend(SBC)Test［D］.Minnesota:University of Minnesota，2005.

［6］徐从家.基于抗裂性能的半刚性基层与沥青面层层间非均匀结合研究［D］.长沙:长沙理工大学，2013.

［7］胡小弟，孙立军.不同车型非均布轮载作用力对沥青路面结构应力影响的三维有限元分析［J］.公路交通科技，2003，20(1):1-10.