高模量结构层对沥青路面疲劳性能的影响

何　立，凌天清

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆　400074；2.重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆　400074)



高模量结构层对沥青路面疲劳性能的影响

何立1，凌天清2

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2.重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆400074)

为了准确掌握高模量结构层对路面疲劳性能的影响规律，文章采用ANSYS有限元软件对沥青路面结构进行了疲劳寿命的数值计算分析。将路面的高模量结构层设置在中面层、下面层和中下面层，分别计算了在不同模量情况下路面结构各层的层底拉应力的分布及拉应力随模量的变化情况。同时，根据路面层底拉应力状态分析了中性面位置变化，计算了半刚性基层的疲劳寿命。结果表明：(1)在双矩形荷载作用下，基层层底拉应力最大；(2)高模量层模量增加，路面结构中性面大幅上移；(3)高模量结构层的设置可以有效减小路面车辙深度；(4)随着高模量层模量的增加，半刚性基层的层底拉应力减小，疲劳寿命显著提高。

路面工程；沥青路面；有限元软件；数值计算；高模量；半刚性基层；疲劳性能

0　引言

随着经济的飞速发展，公路交通运输量与日俱增，加之公路超载问题不断，公路路面的毁损情况严重。很多沥青路面在通车后不久就出现比较严重的病害，如车辙，疲劳开裂等。这些病害一方面增加了道路养护成本，另一方面给交通带来了极大的不便，使得公路的社会经济效益大大降低。为了减少沥青路面病害的产生，降低路面的维修养护成本，近些年研究者十分关注高模量沥青混凝土(high modulus asphalt concrete，HMAC)的研发和组成设计。高模量沥青混凝土作为一种新型道路材料，对于路面产生的车辙的延缓与路面疲劳性能改善，有着比较明显的优势[1]。但是，在路面中设置高模量结构层会对路面结构的受力状况产生比较大的影响，直接关系到到路面结构的疲劳寿命。为了准确掌握高模量结构层对路面疲劳性能的影响规律，为高模量沥青路面结构设计提供理论依据，本文通过ANSYS有限元软件对典型的路面结构进行了疲劳寿命的计算分析。

1　力学模型

1.1基本假设

完全弹性假设：各层都由均质、弹性、各向同性材料组成，各层之间的接触面为层间完全连续，其上位移完全连续[2]；

不考虑路面裂缝和破损情况。

1.2路面结构及计算参数

计算采用典型路面结构型式：路面面层分上、中、下三层，上面层采用细粒式沥青混合料，中面层用高模量沥青混合料，下面层采用粗粒式沥青混合料。基层和底基层分别采用水泥稳定碎石和低剂量的水泥稳定碎石。路面各个结构层的具体材料参数见表1。

表1　沥青路面结构层材料参数表

1.3行车荷载

荷载为标准的单轴双轮组BZZ-100，荷载作用半径δ为0.165m。为了便于有限元的计算，计算时轮胎胎压采用矩形[3]，大小为0.707MPa。具体如图1所示。

图1　轮胎胎压示意图

1.4计算模型

本文使用ANSYS14.0有限元软件，采用Solid185号实体单元建立路面结构的三维模型。为了考虑计算的精度，根据经验[4]，模型的尺寸选为水平面上4m×4m，竖直方向在路面结构底基层底部向下取土基厚度为5m。模型在x方向和z方向施加零位移约束，固定底面考虑路基刚性层的影响[5]。双矩形荷载作用在模型正中间位置，大小为0.707 MPa。同时，在荷载作用的区域对划分的网格进行加密，划分后的网格如图2所示。

图2　网格划分图

2　层底弯拉应力计算

2.1高模量层层位的设置

根据以往的调查研究，路面车辙变形主要发生在路面结构的中下面层[6]。考虑到车辙因素，通常把高模量结构层设置在路面的中下面层。本文为了准确地把握高模量结构层的设置对沥青路面疲劳性能的影响，考虑了把高模量结构层设在中面层(A)、下面层(B)和中下面层(C)三种情况。在A、B、C三种情况下，考虑了高模量结构层模量从低到高的变化情况对沥青路面层各层底拉应力的影响。各层高模量结构层的模量设置见表2。

表2　高模量结构层模量的变化数值表

2.2层底弯拉应力计算及其变化规律

2.2.1拉应力沿z方向(深度方向)的分布

根据以上A、B、C三种高模量结构层的设置，本文中选取了矩形荷载作用的中心为计算位置[5]，分别计算了A、B、C三种情况下路面结构中沿深度方向80 cm位置上各点的最大拉应力的分布，如图3～5所示(图中拉应力表示为正，负值表示受压)。由图3～5可以看出，路面结构在收到标准轴载作用时，距离路表一定范围内的点受压，超过一定范围的点才受拉。拉应力随着深度的增加而增大，但是过了距离路表54 cm处的点之后拉应力有开始减小。

在深54 cm处路面的层底弯拉应力出现最大值，而深54 cm处恰好为半刚性基层的层底。因此，路面结构的疲劳性能很大程度上由半刚性基层层底的疲劳性能决定。深度为18 cm的转折处(即路面下面层层底)可以看出此处受高模量层模量的影响比较大。可见，在进行高模量结构层设计的时候应该特别关注沥青路面下面层底的拉应力和半刚性基层的层底弯拉应力。

图3　情况A沿深度方向最大拉应力分布示意图

图4　情况B沿深度方向最大拉应力分布示意图

图5　情况C沿深度方向最大拉应力分布示意图

2.2.2拉压过渡点(中性面)位置的变化规律

本文根据层底拉应力的计算数据，分析了A、B、C三种情况路面结构中应力的层底压应力向拉应力过渡的变化情况。图6显示，在A、B、C三种情况下，拉压过渡点与路表的距离随着高模量结构层模量的增加而减小。把高模量结构层设置在中面层时，中面层模量每增加200 MPa，中性面的位置上移0.3 cm；将高模量结构层设在下面层时，下面层模量每提高200 MPa时，中性面的位置上移0.7 cm左右；高模量层设置在中下面层时，中性面上移出现了明显的非线性特征：模量从1 800 MPa增加到2 400 MPa时中性面上移了9.1 cm，而模量从2 400 MPa增加到3 000 MPa时，中性面上移2.1 cm。这说明，高模量结构层的层位设置对中性面的位置有很大的影响；同时增加高模量层模量可以使中性面的位置大幅上升。

图6　中性面位置变化曲线图

2.2.3层底应力随高模量结构层模量的变化

在A、B、C三种高模量设置的情况中路面的上面层层底拉应力均负，表示上面层层底受压力。从图7～9中可以看出，在A种情况下，随高模量层模量增加路面上面层的层底压应力在逐渐增大，而中面层和下面层的压应力逐渐减小，但在B、C情况下，中面层的应力随着模量逐渐增大。

图7　上面层层底拉应力变化情况曲线图

图8　中面层层底拉应力变化情况曲线图

图9　下面层层底拉应力变化情况曲线图

图10　基层层底弯拉应力变化情况曲线图

对于下面层，A、B、C三种情况下，层底压应力均随着模量的增加而减小，其中高模量设在中下面层时下面层的层底由受压状态逐渐转化为受拉状态(模量的增加使结构的中性面上升)。

图10中，由于高模量层模量的增加，基层的层底拉应力有很明显变化。当中下面层都设高模量结构层时，模量每增加200 MPa，层底的弯拉应力增加0.3 kPa；高模量设置在下面层时，变化最不明显，模量每增加200 MPa时，层底弯拉应力增加0.1 kPa。

综合前述分析可知，随着模量的增加，中下面层层底最大压应力有减小的趋势；同时由于模量提高，中下面层的压应变有减小的趋势。因此，高模量层的设置可以提高路面的抗车辙能力。同时，基层的层底弯拉应力的减小，说明高模量层的设置可以提高基层的抗开裂性能。

3　疲劳寿命计算

3.1疲劳寿命计算方法

疲劳损坏是沥青混凝土路面的常见破坏之一。疲劳寿命是指沥青路面在反复荷载作用下达到临界破坏状态时所承受的标准轴载作用次数。我国的路面设计方法里规定了不同路面材料对应不同的疲劳方程。由于以上计算结果中半刚性基层的层底拉应最大，而半刚性基层的疲劳寿命很大程度上决定了路面结构的疲劳寿命，因此本文依据A、B、C三种情况下的半刚性基层层底拉应力，计算半刚性基层的疲劳寿命。基层疲劳计算采用美国力学经验法给出的疲劳方程[2]：

(1)

式中：σt——最大层底弯拉应力；

MR——材料28 d弯拉强度；

Nf——疲劳寿命。

根据李玉华等[7]的试验数据结果，MR取1.2 MPa进行计算。

3.2疲劳寿命的预估及变化规律

根据文中疲劳公式(1)计算A、B、C三种情况下半刚性基层的疲劳寿命，计算结果见表3。

将表3中的疲劳寿命数据进行简单的拟合(见图11)。从图中可以看出，随高模量层模量的增加，基层的疲劳寿命呈明显的增加趋势。高模量层设置在中下面层时，基层的疲劳寿命提高最为明显，模量从1 400 MPa升高至2 800 MPa，基层的疲劳寿命提高了53.3%；高模量结构层设置在中面层时，模量从1 600 MPa升高至2 800 MPa，基层的疲劳寿命提高18.8%；将高模量结构层设置在下面层时，模量从1 600 MPa升高至2 800 MPa，基层的疲劳寿命提高11.4%。通过A与C的对比、B与C的对比说明，高模量结构层越厚，半刚性基层的疲劳寿命越长。

表3　A、B、C情况下半刚性基层疲劳寿命计算结果表

由于高模量沥青混凝土的成本要高于普通沥青混凝土，在实际施工过程中高模量结构层的设置应综合考虑路面设计寿命与工程经济问题。综合分析，高模量结构层应设置在路面结构的中面层，根据实际的交通荷载情况，通过提高高模量结构层的模量与厚度的方法来提高路面疲劳寿命。

图11　随模量变化的疲劳寿命曲线图

4　结语

(1)在双矩形均布荷载作用下，路面的基层底受到的拉力最大，路面计算时应特别关注基层层底的应力状态；

(2)随着高模量结构层模量增加路面结构中性面的大幅上移，可以根据这个特性对路面结构受拉区域与受压区域进行材料设计，提高受压区的抗压特性和受拉区的抗拉特性；

(3)合理的高模量结构层的设置可以有效减小路面中下面层的压应变，从而提高路面的抗车辙变形能力；

(4)随着高模量层模量的增加，半刚性基层的层底拉应力减小，疲劳寿命显著提高。建议沥青路面的高模量结构层设置在中面层，结合实际情况通过增加高模量结构层的厚度与模量的方法来提高路面的疲劳寿命。

[1]李洪斌.高模量沥青混合料性能研究与路面结构响应分析[J].公路工程，2014(6)：100-102，118.

[2]姚祖康.公路设计手册：路面(第三版).北京：人民交通出版社，2006.

[3]邱自萍.高模量沥青混凝土路面抗车辙行为数值模拟[D].西安：长安大学，2009.

[4]谢晖.基于FDW检测的半刚性基层沥青路面结构性能评价[D].上海：同济大学，2007.

[5]周庆华，沙爱民.高模量沥青混凝土路面疲劳研究[J].土木工程与管理学报，2013，30(1)：30-34.

[6]梅廷义，刘斌.车辙变形在上下面层分布情况调查分析[J].公路交通科技，2006，23(8)：40-43.

[7]李玉华，徐静.水泥稳定碎石基层的最低劈裂强度和抗压强度[J].沈阳大学学报(自然科学版)，2013，25(5)：177-182.

Impact of High-modulus Structure Layer on Fatigue Performance of Asphalt Pavement

HE Li1，LING Tian-qing2

(1.College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074；2.College of Architecture and Urban Planning，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

In order to accurately grasp the impact rules of high-modulus structure layer on pavement fa-tigue performance，this article used ANSYS finite element software to conduct the numerical calculation and analysis on the fatigue life of asphalt pavement structure.It set the high-modulus structure layer of pavements at the medium，lower and medium-lower surface layers，and respectively calculated the layer bottom tensile stress distribution of all pavement structure layers under different modulus circumstances as well as the tensile stress changes to modulus.Meanwhile，according to pavement layer-bottom tensile stress state，it analyzed the neutral surface position changes，and calculated the fatigue life of semi-rigid base layer.The results showed that：(1)under the impact of dual rectangular loads，the layer-bottom tensile stress of base layer is the maximum；(2)with the modulus increase of high modulus layer，it shows the substantial shift upward on the neutral surface of pavement structure；(3)the setting of high modulus structural layer can effectively reduce the pavement rutting depth；(4)with the modulus increase of high-modulus layer，the layer-bottom tensile stress of semi-rigid base layer is reduced，with signifi-cantly improved fatigue life.

Pavement engineering；Asphalt pavement；Finite element software；Numerical computation；High modulus；Semi-rigid base layer；Fatigue performance

U416.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.002

1673-4874(2016)03-0006-06

2016-03-15

何立(1990—)，研究生，研究方向：路基路面；

凌天清(1962—)，教授、博导，研究方向：路基路面。

重庆市研究生科研创新项目(编号：CYS151 79)