天津市普通公路高模量沥青路面典型结构力学行为分析

邳慧然，李正中，武岩峰

(1.天津市交通科学研究院 天津市 300074；2.天津高速公路集团有限公司 天津市 300384)

高模量沥青路面材料技术源于法国，其设计理念是通过提高沥青混凝土的模量，以减小车辆荷载及高温作用下沥青混凝土的应变及路面结构的塑性变形，从而达到提高路面抗车辙能力、减薄路面厚度和提高路面耐久性的目的[1]。我国于2005年开始进行高模量沥青混凝土应用技术的研究，总体上还处于起步和探索阶段，在天津市尚未开展相关尝试。结合天津地区普通公路的典型结构，通过使用KENLAYER和ANSYS有限元软件[2-3]，对不同沥青混凝土路面结构进行了应力分析和车辙预估模拟，为天津市普通公路路面结构层中高模量沥青混凝土材料的大规模应用提供了重要参考。

1 材料特性说明

路面结构行为分析采用15℃抗压回弹模量作为沥青层材料的计算分析参数。AC-13型SBS改性沥青混合料、AC-25型粗粒式沥青混合料回弹模量，采用现行《公路沥青路面设计规范》给定范围的中值作为计算分析参数。高模量沥青混合料采用GTM旋转剪切成型方法进行设计，采用70号A级道路石油沥青，并外掺0.5%PR-Module高模量改性剂，掺量以占矿料总质量的百分比表示，其抗压回弹模量试验值如表1所示[4]。与路基土、级配碎石相比，半刚性基层材料的非线性力学特征不明显[5]，可认为半刚性基层材料为理想弹性材料，其模量取值如表2所示[6]。

表1 沥青混合料基本参数

表2 半刚性材料的模量

2 路面结构行为分析

2.1 典型结构说明

天津地区普通公路广泛采用的半刚性基层沥青路面结构一般为12cm沥青面层+36cm半刚性基层，结构组合设计上面层为4cm SBS改性沥青AC-13沥青混凝土，下面层为8cm AC-25型普通沥青混凝土，上基层为18cm二灰碎石，下基层为18cm二灰碎石，如图1所示。为了对比高模量沥青混凝土与普通沥青混凝土作为路面结构层对路面性能的不同影响，将高模量沥青混凝土材料设置在上下面层结构位置，如图2所示。

2.2 路面应力计算图示

沥青路面面层应力计算点布置如图3所示，双圆均布竖向荷载P=700kPa，荷载圆半径R=10.65cm，在XOY水平面内，1号点坐标为(-15.975，0)，2号点坐标为(-13.31，0)，3号点坐标为(-10.65，0)，4号点坐标为(0，0)，单位均为cm。为了系统清晰地反映剪应力在路面结构中的分布，在相应水平坐标点下，沿向路基内部方向，最大剪应力计算点间距在路面结构中为1cm，对层间位置附近增加计算点密度，上承层层底和下卧层层顶均分别设置计算点，在基层范围内计算点间距适当放大为2cm，同样对层间位置附近增加计算点密度。

图1 普通公路典型结构组合一

图2 普通公路典型结构组合二

图3 应力计算点位图

2.3 剪应力分析

采用KENLAYER路面结构分析软件对图1和图2两种结构的剪应力分别进行模拟分析，结果如表3和表4、图4和图5所示。

表3 普通公路典型结构组合一剪应力分布

表4 普通公路典型结构组合二剪应力分布

图4 普通公路典型结构组合一剪应力分布

图5 普通公路典型结构组合二剪应力分

从以上图表对比可以看出，对于结构组合一而言，沥青路面结构剪应力峰值主要集中于2～8cm范围内，基本上属于上面层下部到下面层上部之间，上面层峰值约为222kPa，下面层峰值约为189kPa，且绝大多数剪应力峰值都出现在上下面层之间及下面层层顶位置处。对于结构组合二而言，沥青路面结构剪应力峰值同样集中在2～10cm范围内，基本上属于上面层下部到下面层中部之间，上面层峰值约为212kPa，下面层峰值约为172kPa，且绝大多数剪应力峰值都出现在上下面层之间及下面层层顶位置处，剪应力分布规律与结构一存在一定的区别，具体体现在：沥青上下面层结构的剪应力峰值均有较为明显的降低，上面层剪应力峰值小于结构一；面层结构内剪应力在上面层与下面层层间的突变点几乎完全消失。因此可得出结论，采用高模量沥青混凝土作为面层材料可显著降低结构内部剪应力，改善结构内部受力情况。

2.4 疲劳寿命分析

采用KENLAYER路面结构分析软件对图1和图2两种结构水平方向力分布情况进行模拟分析，结果如表5和表6、图6和图7所示，疲劳寿命预估如表7和表8所示。

表5 普通公路典型结构组合一水平方向应力分布

注：压应力为正数，拉应力为负数

根据以上图表分析可得出，在相同的结构深度处，使用了高模量沥青混凝土的结构组合二的压应力比使用普通沥青混凝土结构组合一的压应力大[7]，拉应力比普通沥青混凝土结构组合一的拉应力小，水平应力峰值有一定减小，但疲劳寿命作用次数明显增多[8]，因此采用高模量沥青混凝土材料可有效提高其疲劳强度，延长公路的使用寿命。

3 车辙预估分析

采用ANSYS有限元软件分别对图1和图2两种普通公路结构进行模拟，针对天津地区普通公路，在上面层与下面层有效温度分别为36.9℃、36.6℃下加载140s，标准轴载以14m/s作用10000次，得到普通公路车辙仿真竖向变形云图，如图8所示。再利用数据处理软件Origin对沥青永久变形进行回归模拟，得到表9数据。

表6 普通公路典型结构组合二水平方向应力分布

图6 普通公路典型结构组合一水平方向应力分布

图7 普通公路典型结构组合二水平方向应力分布

结构位置水平应力峰值/kPa疲劳寿命/次沥青面层无拉应力/半刚性基层-3132.102×108

表8 普通公路典型结构组合二疲劳寿命预估

图8 普通公路车辙仿真竖向变形云图(左结构组合一、右结构组合二)

表9 蠕变变形拟合分析

对比以上云图，可以看到荷载圆下的12cm厚普通公路结构组合一沥青路面结构产生较大位移变形，最大隆起为0.21cm，绝对辙槽深度达到3.45cm，最大相对车辙达3.75cm，远超规范所容许的车辙深度，属于非常严重的车辙破坏；而采用高模量沥青混凝土路面结构组合二最大隆起高度仅为0.007cm，绝对车辙和最大相对车辙分别也只有0.15cm和0.157cm，变形明显较小，抗车辙变形效果明显。根据表9，普通公路结构组合一经过38万次作用就产生了严重车辙，而使用高模量沥青混凝土作为上下面层材料的结构组合二达到370多万次轮载作用才需要维修，抗车辙性能优异，在其设计年限内基本不会出现车辙病害[9]。因此，采用高模量沥青混凝土材料可以显著提高路面的抗车辙能力，使沥青结构层的位移变形明显减小，从而大幅延长路面的使用寿命，保证在设计年限内基本不需要考虑车辙病害的问题[10]。

4 结论

采用高模量沥青混凝土作为沥青路面上下面层材料，可以显著降低结构层的剪应力峰值，减少层间剪应力的突变点，有效降低剪应力峰值的位置；可以在一定程度上降低拉应力峰值，改善结构层应力分布，对提高结构的疲劳寿命有一定的效果；可以显著增强路面抗车辙能力，减小结构层变形，使其在设计寿命期内基本不需要考虑车辙病害的问题，从而可以达到延长公路使用寿命的效果。