快速干线沥青路面结构改造方案比选分析

肖杰

(常德市交通建设监理咨询有限公司， 湖南 常德 415000)

随着城市交通流量的逐年增加及道路设计年限的临近，部分城市主要干道出现较严重的车辙、开裂、沉降、拥包等病害，给行车舒适性及安全带来严重影响，老旧路面结构改造成为当今热点课题。针对沥青路面结构，彭宏图通过将3种混合式基层路面结构和半刚性基层结构进行疲劳特性分析，得出混合式基层沥青路面更适合大交通量高速公路的需求；何创等采用ABAQUS软件模拟计算重载交通条件下轴重、基层模量及厚度对半刚性基层沥青路面面层力学响应的影响，得到对沥青路面结构力学响应的影响大小为轴载>基层厚度>基层模量；王海燕等研究重载交通作用下两种典型沥青路面结构的力学响应，得到不同轴载作用下路面结构的分布特征及变化规律。上述研究大多分析沥青路面结构的指标影响，对城市道路沥青路面结构比选的研究较为欠缺。基于此，该文以某快速干线沥青路面改造工程为研究背景，运用ABAQUS软件建立路面结构有限元计算模型，针对4种沥青路面结构展开力学性能对比分析，并结合规范预估路面结构的疲劳性能，为城市道路路面结构提升改造提供参考。

1 工程背景

某快速干线全长约9.5 km，双向六车道，设计速度为80 km/h，原路面结构为4 cm细粒式沥青砼+6 cm中粒式沥青砼+8 cm粗粒式沥青砼+10 cm沥青稳定碎石+20 cm级配碎石+20 cm级配碎石，总厚度为68 cm。由于该路段交通流量过大，路面产生大量龟裂、车辙、坑槽、沉降等病害，给道路运营安全带来严重影响，需进行提升改造。考虑到原路面结构破损严重，已无法满足现状交通需求，提出3种路面结构改造比选方案：

(1) 结构A为4 cm细粒式沥青砼+6 cm中粒式沥青砼+8 cm粗粒式沥青砼+16 cm 5%水稳碎石+17 cm 5%水稳碎石+17 cm 4%水稳碎石。

(2) 结构B为4 cm细粒式沥青砼+6 cm中粒式沥青砼+8 cm粗粒式沥青砼+10 cm沥青稳定碎石+20 cm 5%水稳碎石+20 cm 4%水稳碎石。

(3) 结构C为4 cm细粒式沥青砼+6 cm中粒式沥青砼+8 cm粗粒式沥青砼+16 cm级配碎石+17 cm 5%水稳碎石+17 cm 4%水稳碎石。

2 模型建立

2.1 计算模型及边界条件

运用ABAQUS软件建立路面结构三维模型，模型尺寸为5 m×5 m×6 m(长×宽×深)，单元类型为三维六面体八节点单元，各结构层间完全连续。计算模型中假设X向为行车方向、Y向为路幅方向、Z向为深度方向。边界条件为X、Y方向均轴向约束，顶面完全自由，底部固定约束。路面结构计算模型见图1。

2.2 荷载计算参数

根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》，荷载计算图示分为4种，考虑到现代重载车辆行驶时轮胎的接地面积和轮压会随着轴载增加而逐渐增大，但轮中心距不变，选取图2所示荷载作用图式。为简化计算，将车轮荷载简化为均布矩形荷载，拟定4种轴载进行计算，轴载参数见表1。

图1 路面结构计算模型

图2 荷载作用图示

表1 轴载计算参数

2.3 计算参数

路面结构计算参数见表2。

表2 路面结构计算参数

3 力学性能对比分析

运用ABAQUS有限元软件建立4种沥青路面结构计算模型，模拟荷载布置为双轮矩形均布竖向荷载，计算点选取车轮荷载正下方中心，对不同轴载作用下各沥青路面结构的力学响应展开对比分析。

3.1 路表弯沉

不同轴载作用下4种沥青路面结构的路表弯沉见图3。

图3 不同轴载作用下各路面结构的路表弯沉

由图3可知：随着轴载的增加，各路面结构的路表弯沉均增大；标准轴载作用下原路面结构和结构A、B、C的最大弯沉分别为0.661、0.492、0.48、0.54 mm，超载300%情况下各路面结构的最大弯沉分别为1.881、1.377、1.345、1.512 mm，结构A、B、C的弯沉增幅均小于原路面结构，超载对原结构路面弯沉的影响较明显；相同轴载作用下，4种沥青路面结构的路表弯沉大小为原结构>结构C>结构A>结构B，原因是原结构底基层采用模量较小的级配碎石，而结构A、B、C底基层均采用模量较大的水稳碎石，故原结构整体承载能力最差。

3.2 沥青层最大拉应力

不同轴载作用下4种路面结构的沥青层底最大拉应力见图4。

图4 不同轴载作用下各路面结构的沥青层最大拉应力

由图4可知：随着轴载的增加，4种沥青路面结构的沥青层最大拉应力均呈增大趋势；标准轴载作用下原结构和结构A、B、C的最大拉应力分别为0.11、0.102、0.082、0.128 MPa，超载300%情况下各路面结构的最大拉应力分别为0.318、0.287、0.230、0.378 MPa，结构C的最大拉应力增幅比其他路面结构大，超载情况下结构C路面容易产生开裂损坏；相同轴载作用下，4种沥青路面结构的最大拉应力大小为结构C>原结构>结构A>结构B，结构B的抗开裂性能较好。

地质灾害易发性评价，是防灾、减灾工作重要的环节[1]，其核心内容为确定评价指标权重值。目前权重确定方法很多，大致可分为主观赋权法和客观赋权法[1]。常见的主观赋权法有层次分析法[3-5]、专家调查法[6]、最小平方法[7]、环比评分法[8]等。主观赋权法运用时间长、较成熟，但美中不足的是结果具有明显的主观性、随意性和缺乏客观判断的局限性。常见的客观赋权法有确定性系数[9]、熵值法[10]、变异系数法[11-12]、多目标规划法[13]等。客观赋权法建立在数学理论之上，但前提是有充足的数据作为支撑，推广性和融入性较差，难以体现决策者对不同赋权因子的重视程度。

3.3 沥青层最大拉应变

不同轴载作用下4种路面结构的沥青层底最大拉应变见图5。

图5 不同轴载作用下各路面结构的沥青层最大拉应变

由图5可知：随着轴载的增加，4种路面结构的沥青层最大拉应变均呈增大趋势；标准轴载作用下原路面结构和结构A、B、C的最大拉应变分别为159.6、133.6、126.3、179.2 με，超载300%情况下各路面结构的最大拉应变分别为456.9、378.1、353.6、511.8 με，结构A、B和原结构的沥青层最大拉应变增幅均小于路面结构C，超载对结构C沥青层最大拉应变的影响明显，其路面抗疲劳损伤性能较差；相同轴载作用下，4种沥青路面结构的沥青层最大拉应变大小为结构C>原结构>结构A>结构B，结构B的抗疲劳损伤性能较好。

3.4 土基顶部压应变

不同轴载作用下4种路面结构的土基顶部压应变见图6。

图6 不同轴载作用下各路面结构的土基顶部压应变

由图6可知：随着轴载的增加，4种沥青路面结构的土基顶部压应变均呈增大趋势；标准轴载作用下原结构和结构A、B、C的土基顶部压应变分别为433.1、222.3、226.9、251.9 με，超载300%情况下各路面结构的土基顶部压应变分别为1 222.9、627.4、635.3、725.3 με，原结构土基顶部压应变增幅比其他路面结构大，原结构路面在超载情况下容易产生永久变形损伤，使路面产生车辙、沉降等病害；相同轴载作用下，4种沥青路面结构的土基顶部压应变大小为原结构>结构C>结构B>结构A，结构A、B路面土基顶部的压应变较小，其永久变形损伤程度较小，永久变形损伤寿命较长。

4 路面结构疲劳寿命对比分析

根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》，弯沉与疲劳寿命的关系如下：

(1)

式中：ld为弯沉值；Ne为车道累计当量轴次；Ac、As、Ab分别为路面类型系数、面层类型系数和等级系数。

Ne=(600/ld)5

(2)

按式(2)计算，4种沥青路面结构的疲劳寿命见表3。

表3 各沥青路面结构的疲劳寿命

由表3可知：4种沥青路面结构的疲劳寿命大小为结构B>结构A>结构C>原结构，结构B的疲劳寿命远大于其他结构，其疲劳性能较优。

5 结论

以某快速干线沥青路面改造工程为研究背景，借助ABAQUS有限元软件对原路面结构和3种路面改造结构进行力学性能对比分析，并结合规范预估路面结构的疲劳寿命，得出以下结论：

(1) 随着轴载的增加，沥青路面结构的路表弯

沉、沥青层最大拉应力、沥青层最大拉应力及土基顶部压应变均呈增大趋势。

(2) 水稳碎石底基层沥青路面结构的承载能力相较于级配碎石底基层更优。

(3) 4种沥青路面结构中，结构B(沥青稳定碎石上基层+水稳碎石下基层和底基层)的承载能力、抗开裂能力、抗变形能力及抗疲劳能力均较优，沥青路面结构改造方案建议选用结构B。