不同沥青路面结构的力学响应及经济性对比分析

全文义

(新疆兴亚工程建设有限公司，乌鲁木齐 831100)

0 引言

由于沥青路面具有施养简便、行车舒适、平整耐磨等优点，故广泛应用于我国高速公路工程建设中[1-2]。随着我国经济及交通的迅速发展， 导致高速公路的交通现状逐渐表现为流量大、速度高、轴载重的特点，因此沥青路面在超载重载长期作用下经常容易产生车辙、开裂等病害，使得沥青路面的使用性能及寿命降低， 从而严重影响到高速公路的行车舒适和安全[3-5]。

近年来， 国内学者已在高速公路沥青路面结构对比方面进行了大量研究，如操宇航等[6]通过建立珠三角地区三种典型高速公路路面结构的使用性能衰变方程， 得出各路面结构的使用性能曲线变化规律；黄民如等[7]通过对不同基层形式的沥青路面结构进行力学性能对比分析，得到混合式基层的路面疲劳寿命性和使用性能更优；冯学茂[8]运用BISAR 软件模拟计算了三种混合式基层沥青路面的应力、 应变， 得出混合式基层沥青路面的力学特性。尽管在沥青路面方面已获得较多研究成果，但其使用性能和经济性仍是当前研究的热点课题。基于此，本文以某地区高速公路的三种沥青路面结构为研究背景， 运用ABAQUS 有限元软件计算了不同沥青路面结构的力学响应， 并根据路面结构的造价和疲劳寿命对各路面结构进行经济性对比分析， 旨为高速公路沥青路面结构设计提供参考及借鉴。

1 路面结构选取

通过对某地区高速公路沥青路面结构的调查， 选取三种代表性路面结构作为研究对象。依照现行《公路沥青路面设计规范》(JTG T50-2017)确定各路面结构的计算参数如表1 所示。

表1 混合式基层沥青路面结构计算参数

2 模型建立

2.1 荷载计算参数

计算荷载采用 《公路沥青路面设计规范》(JTG T50-2017)中标准轴载BZZ-100，为了便于模拟计算，将荷载作用形式简化成均布矩形荷载，其中轴载为100kN，轮胎地压为0.7MPa，具体计算方案如图1 所示。

图1 荷载计算示意图

2.2 计算模型

通过运用ABAQUS 软件分别建立三种沥青路面结构的有限元计算模型，模型尺寸中长宽均为5m，深度为6m，单元类型为C3D8R，各结构层层间完全连续，选取0.01m 作为近似全局网格布种尺寸， 模型中假设X、Y、Z分别为行车方向、路幅方向和深度方向，边界条件假设为X 和Y 方向均轴向约束， 顶面完全自由， 底部则固定约束，具体路面结构模型和单元划分如图2 所示。

图2 路面结构计算模型及单元划分

3 力学性能分析

3.1 路表弯沉

通过对标准轴载作用下三种沥青路面结构进行有限元计算， 得到各沥青路面结构在轮隙中心处的路表弯沉值如图3 所示。

根据图3 可知， 在标准轴载作用下三种沥青路面结构的路表弯沉值大小依次为：结构一＞结构二＞结构三，其中结构一轮隙中心处的路表弯沉值为0.572mm， 结构二轮隙中心处的路表弯沉值为0.435mm， 结构三轮隙中心处的路表弯沉值为0.416mm。 三种沥青路面结构中结构一产生的路表弯沉比其余路面结构更明显， 结构二和结构三产生的路表弯沉则比较小， 其原因是由于结构二和结构三均为水泥稳定碎石底基层， 而结构一为级配碎石底基层，水泥稳定碎石的弹性模量远大于级配碎石，因此结构二和结构三在相同轴载作用下的整体承载能力更优。

图3 不同沥青路面结构的路表弯沉对比

3.2 拉应力

通过建立三种沥青路面结构有限元模型， 针对标准轴载作用下各路面结构的层底拉应力进行模拟计算，得出不同沥青路面结构的拉应力对比情况如图4 所示。

图4 不同沥青路面结构的拉应力对比

由图4 可知， 在标准轴载作用下三种沥青路面结构中基层、底基层的层底拉应力值均大于0，即基层拉应力表现为受拉，而沥青层上面层、中面层和下面层的层底拉应力均小于0，即沥青层拉应力表现为受压，且随着路表深度的增加，当轴载反复作用时，基层和沥青层会分别产生压应力、拉应力压缩变形，因此在沥青层与基层的连接处比较容易产生剪切破坏。 三种路面结构的基层层底拉应力值分别为0.13MPa、0.16MPa、0.05MPa，即结构一、二的基层层底拉应力明显要大于结构三，说明结构一、二的受力最不利位置处于基层层底； 而底基层层底拉应力值分别为0.07MPa、0.09MPa、0.11MPa，即结构一、二的底基层层底拉应力要小于结构三， 则说明结构三受力最不利位置处于底基层层底。 三种路面结构中结构三的沥青层层底拉应力最小，说明结构三抗拉开裂性能良好。

3.3 压应力

通过建立三种沥青路面结构有限元模型， 针对标准轴载作用下各路面结构的层底压应力展开模拟计算，得出不同沥青路面结构的压应力对比情况如图5 所示。

图5 不同沥青路面结构的压应力对比

根据图5 可知，随着深度的增加，三种沥青路面结构的各层底压应力均呈逐渐减小变化趋势， 其中各沥青路面结构的基层层底与底基层层底产生的压应力较小，而沥青层产生的压应力均则较大， 表明沥青层较于基层和底基层更容易产生压密变形破坏。 各沥青路面结构中结构二层底产生的压应力均小于结构一、三，因此结构二的抗压变形性能较好。

3.4 剪应力

沥青路面结构的抗剪切破坏能力主要是由剪应力来表征， 通常情况下沥青路面产生的剪应力主要集中于路面结构中的沥青面层。 通过对标准轴载作用下三种沥青路面结构进行模拟计算， 得到各沥青路面结构的沥青面层剪应力如图6 所示。

图6 不同沥青路面结构的剪应力对比

由图6 可知，随着路表深度的增加，三种沥青路面结构的沥青层剪应力均呈先增大后减小变化趋势， 其中结构一的最大剪应力值为0.0275MPa， 结构二最大剪应力值为0.0234MPa， 结构三最大剪应力值为0.0241MPa，各路面结构的最大剪应力值都处于距路表深度6～10cm 范围内，说明剪应力对沥青面层中面层、下面层的影响较为明显。轴载作用下沥青面层产生的剪应力越大，路面辙槽破坏越明显， 三种路面结构中结构一沥青面层产生的剪应力最大，说明结构一路面容易产生辙槽病害，而结构二剪应力最小，说明结构二的抗辙槽能力最好。

4 经济性分析

通过对沥青路面结构的造价进行预算， 分别得到结构一、 二、 三的造价约为265.8 元/m2、208.5 元/m2、211.6元/m2，其中结构结构二造价较低，但结构三与结构二的造价差距不大。 由于路面结构的经济性需要考虑造价与使用寿命两个方面，因此需计算各路面结构的疲劳寿命，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG T50-2017)中弯沉与疲劳寿命关系式：

式(1)中：Ac、As、Ab按规范取值为1；Id为弯沉值；Ne为车道累计当量轴次。

将式(1)简化为Id=600Ne-0.2，即可转化成Ne=(600/Id)5，计算得出各沥青路面结构的疲劳寿命如表2 所示。

表2 沥青路面结构的疲劳寿命

根据表2 可知， 三种沥青路面结构的极限累计当量轴次分别为1.27×1015、4.99×1015、6.24×1015次/车道， 其中结构三的疲劳寿命最大， 说明结构三路面的抗疲劳性能优于其他结构。 将路面造价/极限累计当量轴次即能计算出三种沥青路面结构的性价比分别为20.9×10-14、4.18×10-14、3.39×10-14元/次， 由此可知结构三路面的经济性能最好。

5 结语

通过对某地区高速公路的三种代表性沥青路面结构进行力学响应和经济性对比研究，得到如下结论：

(1)标准轴载作用下三种沥青路面结构的路表弯沉值大小依次为：结构一＞结构二＞结构三，其中结构二和结构三弯沉差距较小，说明结构二、三路面均具有较好的承载能力。

(2)三种沥青路面结构中结构一、二的受力最不利位置处于基层层底， 结构三受力最不利位置处于底基层层底；结构三的沥青层层底拉应力最小，其具有较好抗拉开裂性能。

(3)随着路表深度的增加，三种沥青路面各层底压应力均逐渐减小；结构二各层底压应力均小于其他结构，因此结构二抗压变形性能最好。

(4)随着路表深度的增加，各沥青路面结构的沥青层剪应力均呈先增后减变化； 三种路面结构中结构二最大剪应力值最小，故其抗辙槽能力最好。

(5)综合经济性可得，三种沥青路面结构中结构三造价最低，疲劳寿命最长，性价比最好，因此同等情况下推荐优选结构三。