路面结构厚度对沥青面层疲劳寿命的影响

李 斌，梁乃兴，冯小军

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710068； 2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

随着公路交通量的日益增大和轴载的不断增加，路面在汽车作用下长期处于应力、应变交迭变化之下[1-3]，当作用次数达到一定值后，路面结构强度逐渐降低，形成疲劳破坏。彭文俊等通过分析长寿命沥青路面各层的功能和抗疲劳层的力学特性，提出了细级配抗疲劳层沥青混合料，并得出抗疲劳层的厚度、模量对路面弯沉和抗疲劳层层底拉应变影响不大,但对沥青稳定基层层底拉应变影响很大[4-6]。孙亚文等通过试验对沥青混凝土水、温作用下的疲劳方程特性进行了研究，结果表明，水、温综合作用下沥青混凝土的疲劳寿命显著降低[7-9]。朱洪洲等分别从混合料级配、沥青品种、油石比、应变水平、间歇时间和试验温度对沥青混合料疲劳性能进行了分析，结果表明：混合料饱和度和孔隙率对疲劳寿命影响较大，且影响程度由大到小依次为间歇时间、温度、沥青品种、级配、沥青用量、荷载频率[10-12]。 王志怡等通过击实和劈裂试验分析了冷再生混合料的疲劳性能，并给出了在高低应力状态下冷再生材料在2种旧沥青混合料掺量下的应变控制指标[13-14]。胡朋等采用有限元模拟方法对沥青路面的疲劳特性进行研究，结果表明，在仅考虑荷载作用的条件下，沥青面层疲劳开裂首先发生在轮隙中心，随后向两侧扩展，且路表应力出现时间随深度增加而依次滞后[15-17]。何杰等针对不同车速及非均布动荷载作用下路表面弯沉值的变化进行了计算和分析，结果表明，当重载车速在10～32 km·h-1之间时，路面的动态弯沉值显著大于静态弯沉值[18]。

以上大多数研究都是针对沥青混凝土的不同材料、配合比和荷载作用下的疲劳性能及特性，对路面结构层厚度的影响研究相对较少，故本文基于课题组针对云南省高等级路面结构形式进行的沥青路面基层路用性能研究的成果，利用有限元分析软件ANSYS对汽车荷载作用下不同基层厚度的路面结构层受力及疲劳性能进行分析。

1 路面结构层

本文选用的路面结构为：上面层为AC-13C细粒式沥青混凝土，厚度H1；中面层为AC-20C中粒式沥青混凝土，厚度为H2；下面层为AC-25C粗粒式沥青混凝土，厚度为H3；基层为水泥稳定级配碎石，厚度H4经计算分析后再进行确定；底基层为砂砾，其厚度H5=30 cm；路基土深度方向为无限[19]。

2 有限元模型及结构层参数

2.1 有限元模型

考虑到计算机的性能和所用的时间，将对面层的3层结构在建模时简化为一层，厚度为面层厚度的总和，其性能以中面层的AC-20C中粒式沥青混凝土为基准。在分析时假设沥青面层、基层、底基层以及土基之间为完全连续。路面结构有限元计算模型如图1所示。其中网格划分如下：沥青混凝土面层划分为3层；水泥稳定级配碎石基层每层2 cm，视其厚度划分为不同的层数；砂砾石底基层30 cm划分为3层，每层10 cm；土基划分为2层。荷载按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)中的双圆均布荷载进行加载，荷载半径为10.65 cm，轴载为100 kN，荷载应力为0.7 MPa。

图1 路面结构有限元模型

2.2 模型参数

在运用路面结构有限元模型进行计算时，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)对水泥稳定基层厚度推荐值及云南路面结构常用参数值进行综合考虑，取值如表1所示。

表1 有限元模型参数

3 面层和基层厚度对路面疲劳性能的影响

3.1 面层底面拉应力

面层底面拉应力随路面结构层厚度变化的计算结果如表2所示。

表2 面层底面拉应力计算结果

3.1.1 基层厚度对面层底面拉应力的影响

面层底面拉应力随基层厚度增加的变化如图2所示。由表2和图2可知：面层底面拉应力随基层厚度的增加而减小；当面层厚度为5 cm时，面层底面拉应力随基层厚度增加而减小的趋势较为明显；面层厚度为10 cm和15 cm时，面层底面拉应力随基层厚度的增加而减小的趋势较面层厚度为5 cm时明显减弱。

图2 拉应力随基层厚度的变化

面层厚度相同的情况下，面层底面拉应力随基层厚度的变化如图3所示。由图3可知：当基层厚度为20 cm时，面层底面拉应力减小0.097 4 MPa，且面层底面拉应力变化值随基层厚度的增加而减小；当基层厚度为44 cm时，面层底面拉应力减小为0.058 2 MPa；当面层厚度由5 cm增加到15 cm时，面层底面拉应力随基层厚度的增加不断减小。

图3 拉应力随基层厚度的变化

3.1.2 面层厚度对面层底面拉应力的影响

面层底面拉应力随面层厚度增加的变化如图4所示。由图4可知：当基层厚度为20 cm，面层厚度由5 cm增加到10 cm时，面层底面拉应力减小0.060 1 MPa；面层厚度再由10 cm增加到15 cm，面层底面拉应力减小0.037 3 MPa；当基层厚度保持不变时，面层底面拉应力随着面层厚度的增加而减小。

图4 拉应力随面层厚度的变化

图5 拉应力变化值随面层厚度的变化

基层厚度相同时，面层底面拉应力变化值随面层厚度的变化如图5所示。当面层厚度分别为5、10、15 cm时，基层厚度均由20 cm增加至44 cm，面层底面拉应力分别减小0.046 6、0.017 5、0.007 4 MPa。基层厚度变化相同的情况下，面层底面拉应力随面层厚度的增加不断减小。

3.2 面层底面拉应变

不同面层厚度时，面层底面拉应变随基层厚度的变化如表3所示。

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表3 面层底面拉应变计算结果

3.2.1 基层厚度对面层底面拉应变的影响

面层底面拉应变随面层厚度增加的变化如图6所示。由表3和图6可知：在面层厚度为5 cm时，基层厚度分别为20、32、44 cm的面层底面拉应变分别为142.31×10-6、128.11×10-6、117.23×10-6。由此可见，面层厚度一定时，面层底面拉应变随着基层厚度的增加而减小。

图6 拉应变随基层厚度的变化

图7 拉应变变化值随基层厚度的变化

在面层厚度变化相同的情况下，面层底拉应变变化值随基层厚度的变化如图7所示。在面层厚度均由5 cm增加至15 cm的情况下，随着基层厚度的增加，面层底面拉应变不断减小。

3.2.2 面层厚度对面层底面拉应变的影响

面层底面拉应变随面层厚度的变化如图8所示。由图8可知，当基层厚度一定时，面层底面拉应变随着面层厚度的增加不断减小，且减小趋势逐渐减弱。

图8 拉应变随基层厚度的变化

图9 拉应变变化值随基层厚度的变化

不同面层厚度下面层底面拉应变的变化如图9所示。由图9可知，在基层厚度相同的情况下，当面层厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加到15 cm时，面层底面拉应变的变化值分别为25.08×10-6、14.17×10-6和5.46×10-6，减小幅度分别为17.62%、15.22%和7.89%。故面层底面拉应变随面层厚度的增加不断减小。

由以上分析可知：面层底面拉应变对于面层厚度的变化更为敏感；基层厚度变化对于面层底面拉应变虽有影响，但与面层厚度变化的影响相比较弱。因此，增加面层厚度比增加基层厚度能更有效地减小面层底面的拉应变，但一味采用增大面层厚度的方法来减小面层底拉应变是不合适的。

3.3 面层疲劳分析

本课题组研究得出AC-20C中粒式沥青混凝土的应变疲劳方程为

(1)

式中：Nε为AC-20C中粒式沥青混凝土的疲劳寿命；εx为AC-20C中粒式沥青混凝土的疲劳应变。

面层疲劳寿命随结构层厚度变化的计算结果如表4所示。

表4 面层疲劳寿命计算结果

3.3.1 基层厚度对面层疲劳寿命的影响

面层疲劳寿命随基层厚度的变化情况如图10所示。由表4和图10可知，当面层厚度由5 cm增加至15 cm的情况下，基层厚度分别为20、32、44 cm时，面层疲劳寿命分别增加1 494.8万次、1 680.5万次和1 890.9万次。由此可知，在面层厚度相同的情况下，面层疲劳寿命的变化随基层厚度的增加而增加。

图10 疲劳寿命随基层厚度的变化

3.3.2 面层厚度对面层疲劳寿命的影响

当基层厚度不变时，面层疲劳寿命随面层厚度的变化如图11所示。

由图11可知：当基层厚度为20 cm的情况下，面层厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加至15 cm时，面层疲劳寿命分别增加451.1万次和1 043.7万次；基层厚度为44 cm的情况下，面层厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加至15 cm时，面层疲劳寿命分别增加767.7万次和1 123.2万次。由此可得，基层厚度一定，面层疲劳寿命随面层厚度的增大而增加，且变化趋势随面层厚度的增大而增加。

不同面层厚度下面层疲劳寿命变化值如图12所示。由图12可知：随着路面结构层的不断增加，面层底面拉应变不断减小，疲劳寿命增加幅度较大；随着路面结构厚度进一步增大，面层底面应变减小幅度不断减小，致使路面疲劳寿命的增加幅度也随之减小。

图12 疲劳寿命变化值随基层厚度的变化

4 结 语

本文以课题组研究所得的沥青混凝土疲劳方程为基础，利用有限元软件ANSYS对路面各结构层的受力情况进行模拟计算，结果表明：路面面层底面拉应力随路面结构厚度的增加而不断减小；面层底面应变随路面结构层厚度的增加不断减小；面层疲劳寿命随路面结构层的增加不断增加。