耐久性基层沥青路面结构比选研究

(1.杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江 杭州 310001；2.浙江工业大学 工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310001)

0 引言

随着我国交通运输行业的迅猛发展，公路交通现状呈现出流量大、速度高、轴载重的特征，其中部分公路路面长期处于超载重载环境下容易出现车辙、开裂等路面病害，导致路面经常需要进行大规模养护，给社会经济带来巨大的损失，因此如何建设出耐久性更好的沥青路面结构已成为当今道路研究者的重点关注课题[1-5]。

目前，国内学者针对耐久性沥青路面结构展开了不少研究，如杨三强等[6]研究了荒漠环境下耐久性沥青路面结构的设计指标及力学分布规律；宋杨等[7]研究了不同结构层参数对柔性基层耐久性沥青路面结构的力学指标影响；许新权等[8]以广东省某公路碾压混凝土基层的耐久性沥青路面为例，研究了碾压混凝土沥青路面结构的使用性能及力学性能。由于在公路耐久性基层沥青路面结构比选方面的研究相对较少，基于此，本文以某新建公路工程为背景，运用ABAQUS软件建立路面结构三维模型，针对工程初步设计供选的三种耐久性基层沥青路面结构进行力学响应和疲劳寿命对比分析，得出结果可为公路设计提供有效参考及借鉴。

1 工程背景

以某新建公路工程为背景，该公路主线路线全长为55.8 km，路基宽度为33.5 m，全路段按双向6车道标准设计，设计时速为120 km/h，设计使用年限为15 a，设计标准轴载为BZZ-100 kN。工程初步设计供选路面结构有碾压混凝土(RCC)基层路面、加强型半刚性基层路面、倒装式半刚性基层路面三种耐久性基层沥青路面结构，且沥青路面结构的各结构层厚度组合均有所差异，具体路面结构及材料设计参数如表1所示。

表1 三种耐久性沥青路面结构及材料设计参数Table 1 Three durable asphalt pavement structures and material design parameters结构层结构组合结构一结构二结构三4 cm细粒式改性沥青混凝土(E=1 600,μ=0.35)面层6 cm中粒式改性沥青混凝土(E=1 500,μ=0.35)8 cm粗粒式沥青混凝土(E=1 200,μ=0.35)基层22cm碾压混凝土(E=5000,μ=0.2)18 cm水稳碎石(E=3 000,μ=0.2)18 cm水稳碎石(E=3 000,μ=0.2)18 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)18 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)20 cm级配碎石(E=250,μ=0.3)20 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)底基层19 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)19 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)19 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)19 cm水稳碎石(E=1 500,μ=0.2)—垫层18 cm级配碎石(E=250,μ=0.3)——土基土(E=35,μ=0.35)土(E=35,μ=0.35)土(E=35,μ=0.35)总厚度96 cm92 cm94 cm注:E为材料模量,MPa;μ为泊松比。

2 模型建立

2.1 假定条件

在模拟过程中边界条件假设为路面结构顶部完全自由，底部固定约束，其余方向则均轴向约束，且各结构层层间接触条件为完全连续。模型中假设X为行车方向，Y为路幅方向，Z为路面深度方向。

2.2 计算荷载

模型中计算荷载选取标准轴载BZZ-100，轮胎内压力取0.7 MPa，当量圆半径为10.65 cm，荷载圆中心间距31.95 cm，为了便于加载与模拟计算，将荷载接地形状简化为矩形均布荷载形式，具体荷载形式见图1。

图1 荷载作用图示Figure 1 Load action diagram

2.3 有限元计算模型

通过运用ABAQUS软件建立三种耐久性基层沥青路面结构有限元计算模型，模型尺寸中长度为8 m，宽度为6 m，深度为6 m，路面结构均采用C3D8R单元类型。各路面结构模型中沥青面层均采用粘弹性本构模型，其余结构层材料则均采用线弹性模型，具体路面结构计算模型见图2。

图2 路面结构有限元计算模型Figure 2 Finite element calculation model of pavement structure

3 沥青路面结构力学响应对比分析

通过运用ABAQUS软件建立耐久性基层沥青路面结构的三维数值模型，模拟过程中施加双轮矩形均布竖向轴载，选取轮隙中心O沿路幅Y方向的断面展开力学响应对比分析[9]。

3.1 路表弯沉

轴载作用下3种耐久性基层沥青路面结构的路表弯沉沿路幅方向的分布结果见图3。

图3 路表弯沉变化曲线Figure 3 Road surface deflection curve

由图3可知，随着距轮隙中心距离的增大，3种耐久性基层沥青路面结构的路表弯沉均呈先增大后减小变化趋势，当距轮胎中心处越近时，各沥青路面结构的路表弯沉值越大，而距轮胎中心处越远时，路表弯沉值则越小；3种沥青路面结构的路表弯沉均在轮胎中心处达到峰值，其中结构一路表弯沉峰值为0.214 mm，结构二路表弯沉峰值为0.218 mm，结构三路表弯沉峰值为0.276 mm，且轮隙中心处的路表弯沉值均比轮胎中心处较小。在标准轴载作用下3种耐久性基层沥青路面结构的路表弯沉值由大到小为：结构三>结构二>结构一，其中结构一、二的路表弯沉差距较小，说明加强型半刚性基层、RCC基层沥青路面结构的承载能力更优。

3.2 沥青层层底拉应变

轴载作用下3种耐久性基层沥青路面结构的沥青层层底拉应变沿路幅方向的分布结果见图4。

图4 沥青层层底拉应变变化曲线Figure 4 Underline strain curve of asphalt layer

根据图4可知，3种耐久性沥青基层路面结构的沥青层层底拉应变在轮胎附近处均大于0，且随着距轮隙中心距离的增大呈先增后减变化，各路面结构在轮胎中心处的沥青层层底拉应变达到峰值，其中结构一的沥青层层底拉应变峰值为7.02 με，结构二的沥青层层底拉应变峰值为6.82 με，结构三的沥青层层底拉应变峰值为7.99 με；当距轮系中心距离超过轮胎外边缘后，各路面结构的沥青层层底拉应变均小于0，即表现为压应变，且随着距轮隙中心距离的增大逐渐减小。在标准轴载作用下各路面结构的沥青层层底拉应变由大到小为：结构三>结构一>结构二，且沥青层层底拉应变差距较小，说明各耐久性基层沥青路面结构均具有良好的抗疲劳损伤性能和使用性能。

3.3 层底拉应力

轴载作用下3种耐久性基层沥青路面结构的各关键层底拉应力沿路幅方向的分布结果见图5。

(a) 结构一

(b) 结构二(c) 结构三

Figure 5 Curve of the tensile stress of the key layer of the pavement structure

由图5可知，3种路面结构的沥青层下面层层底拉应力均表现为受压，且随着距轮隙中心距离增大呈先增后减变化；而半刚性基层和底基层层底拉应力则表现为受拉，随着距离增大逐渐减小。沥青下面层层底拉应力峰值均位于轮隙中心处，其大小依次为：结构二>结构一>结构三，说明倒装式半刚性基层路面结构的抗拉开裂性能较优；半刚性基层和底基层的层底拉应力则均位于轮胎中心处，其层底拉应力由大到小为：结构二>结构三>结构一，说明RCC基层沥青路面结构的抗拉压性能较优。

4 沥青路面结构疲劳寿命对比分析

为比较3种耐久性基层沥青路面结构的使用寿命，根据文献[10-11]中公路路面结构的弯沉值与疲劳寿命关系：

(1)

式中：Id表示弯沉值；Ne表示车道累计当量轴次；Ac、As、Ab分别表示路面类型系数、面层类型系数和等级系数，按规范均取值为1。

图6 路面结构疲劳寿命对比Figure 6 Comparison of fatigue life of pavement structure

由图6可知，3种耐久性基层沥青路面结构的极限累计当量轴次分别为17.33×1016、15.79×1016、4.86×1016次/车道，路面结构的疲劳寿命由大到小为：结构一>结构二>结构三，说明RCC基层沥青路面结构的抗疲劳能力较优。

5 结语

以某新建公路工程为背景，通过对工程初步设计供选的3种耐久性基层沥青路面结构进行力学响应和疲劳寿命对比分析，得出以下结论：

a.随着距轮隙中心距离的增大，3种耐久性基层沥青路面结构的路表弯沉均呈先增大后减小变化；RCC基层、加强型半刚性基层路面结构的路表弯沉峰值较于倒装式半刚性基层路面要小，因此路面结构的承载能力更优。

b.3种耐久性沥青基层路面结构的沥青层层底拉应变差距较小，故均具有良好的抗疲劳损伤性能和使用性能。

c.倒装式半刚性基层路面结构的沥青下面层层底拉应力峰值较小，故抗拉开裂性能较优；RCC基层沥青路面结构的半刚性基层和底基层的层底拉应力较小，故抗拉压性能较优。

d.RCC基层沥青路面结构的疲劳寿命较于其余两种路面结构要小，故RCC基层沥青路面结构的抗疲劳能力较优。

e.综合分析可得，3种耐久性沥青基层路面结构中RCC基层沥青路面结构的各项性能较优，故工程路面结构推荐RCC基层沥青路面结构。