半刚性基层沥青路面疲劳寿命预估

近年来半刚性基层沥青路面在我国应用普遍。这种沥青路面损坏发生的原因比较复杂，短期的损坏大多受施工的影响，较长时间的损坏主要是车辆荷载作用下的疲劳损坏。JTGD 50—2006《公路沥青路面设计规范》只给出了混合料的疲劳性能评价的相关方法，没有关于路面结构疲劳性能方面的论述，而国外路面设计方法中考虑了路面结构的疲劳寿命。借鉴国外疲劳寿命预估的方法，分析典型路面结构的疲劳寿命对如何减少疲劳损坏及沥青路面结构设计具有重要意义。

1 沥青路面疲劳寿命预估方法

半刚性基层沥青路面疲劳损坏形态的多样性和原因的复杂性，使得不同损坏状态可能出现不同的使用寿命，因此沥青路面的疲劳寿命预估就不可能采用一种预估模型，对一种路面结构来说，应该在综合各预估寿命的基础上，确定关键路面寿命预估指标并对其寿命进行预估。

1.1 沥青层的疲劳

传统路面设计，一般认为路面结构最大拉应变在沥青层层底，由于行车荷载的反复作用使得沥青层首先开裂，进而向上发展到沥青表面层，表现为轮迹带上的纵向开裂，一般以龟裂形式出现。因此，目前绝大多数设计方法采用沥青疲劳方程是基于沥青层底最大拉应变来进行沥青混合料疲劳寿命的预估[1]。

在疲劳方程中，需要建立荷载重复作用次数与层底拉应变的关系，根据层底拉应变推算出沥青层可承受的重复荷载作用次数。英国设计规范对沥青层疲劳寿命的预估方法简单可行，本研究选用英国设计规范的疲劳方程

式中：Nf——控制疲劳开裂的路面寿命，次；

ε——沥青层底拉应变。

1.2 .半刚性基层的疲劳

半刚性材料具有刚度大、传荷能力强、板体性好等优点，但是由于半刚性路面不可避免的会出现开裂和反射裂缝等问题，故应该对半刚性材料层本身的疲劳性能进行研究。

半刚性材料的疲劳寿命预估都采用拉应力指标进行，其基本形式大同小异，只是在参数取值上有所差别，但差别也不是很大。AASHTO设计方法对半刚性基层的疲劳预估与实际情况最接近。

式中：Nf——轴载（每一种轴型下的轴重）的重复作用次数；

σt——半刚性基层底部的最大弯拉应力，kN；

σr——28 d劈裂强度（弯拉强度），kN。

1.3 土基变形的疲劳

路面结构在重复荷载作用下，土基顶面将产生变形。如变形达到一定程度，将影响行车安全和舒适性，更严重的将直接导致面层开裂。因而，限制路面结构变形是路面结构设计的一个基本要求，同时也是评价路面长期性能的重要因素，在路面寿命预估中也是一个重要的方面。

目前国内外都采用土基顶面压应变作为设计指标，对应压应变和荷载作用次数方程。根据土基顶面压应变估计的沥青路面寿命模型，国内外学者研究表明，AI设计方法对永久变形的寿命预估与实际路面情况最接近，永久变形疲劳寿命预估选用AI设计方法。

式中：N——以土基变形为控制指标的允许重复荷载作用次数；

εZ——土基顶面竖向最大压应变。

2 沥青路面力学响应分析

选取半刚性基层沥青路面的典型结构，利用有限元软件ANSYS进行计算，在弹性层状体系理论基础上，得出不同荷载作用下，半刚性基层沥青路面的沥青层底拉应变、半刚性基层层底拉应力和土基顶面压应变。见图1。

图1 典型半刚性基层沥青路面结构

2.1 有限元模型的建立

沿行车方向y取5 m，横断面方向x取5 m，深度方向z取6 m，采用八节点solid45模型。模型的位移边界条件：左右两侧没有x方向位移，前后两侧没有y方向位移，底面没有z方向位移，路面面层表面为自由面，不进行任何约束；认为层间接触状态为完全连续状态。见图2。

图2 路面结构有限元模型

2.2 力学计算材料参数的选取

路面结构计算时参考文献[2]，见表1。土基回弹模量取40 MPa，泊松比取0.35。

表1 沥青路面结构层材料参数

2.3 不同荷载作用下路面结构的力学响应

随着我国经济的快速发展，大货车和集装箱车所占的比例逐年增加，公路上行驶货车可能存在一定程度超载现象，分析中考虑不同荷载作用下沥青路面的力学响应。

车辆荷载特征值可以分为轮胎接地压强、轴载大小和接地面积等，现行的沥青路面结构设计方法以弹性层状体系为设计理论，将双轮荷载简化成中心距为3倍当量圆半径的圆形荷载，未充分考虑不同轴载与轮胎接地压强及接地面积的关系，这无疑会影响路面受力状况的分析精度。本研究采用双轮双圆、圆中心距不变轴载，引入比利时方法中的轮载与胎压、轮胎接地面积的经验公式[3]，根据我国道路的实际情况进行修正，不同荷载作用下轮胎接地压强和当量半径见表2。

表2 轴重与轮压、轮胎接地面积关系

不同轴载作用下，沥青路面结构的力学响应计算结果见表3。

表3 碎石及砾石沥青路面结构的力学响应

3 沥青路面疲劳寿命预估

根据路面结构的力学计算结果，代入疲劳寿命预估方程，得到不同荷载作用下，典型沥青路面结构的疲劳寿命。

3.1 沥青层疲劳

各结构疲劳寿命情况见图3。

图3 基于沥青层疲劳的寿命预估

由图3可以看出，荷载从100 kN增加到180 kN时，路面疲劳寿命从2.39×109次减小到1.90×108次。

3.2 半刚性基层疲劳

各结构疲劳寿命情况见图4。

图4 基于半刚性基层的寿命预估

由图4可以看出，荷载从100 kN增加到180 kN时，路面疲劳寿命从1.40×109次减小到1.56×107次。

3.3 永久变形

各结构疲劳寿命情况见图5。由图5可以看出，随着荷载的增加，疲劳寿命不断减小。标准荷载作用下，路面疲劳寿命可达3.57×109次，当荷载增加到180 kN时，路面疲劳寿命降低到1.48×109次。

图5 基于土基变形的寿命预估

4 结论

1）随着荷载的增加，沥青层疲劳寿命、半刚性基层疲劳寿命和土基变形疲劳寿命的均减小。

2）荷载大小相同时，土基变形疲劳寿命＞沥青层疲劳寿命＞半刚性基层疲劳寿命，路面结构的总寿命可根据半刚性基层疲劳寿命确定。