高温重载作用下沥青路面结构力学响应分析

杨真子

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

随着我国经济的快速增长，公路建设蓬勃发展。根据交通运输部统计公报显示，2018年年底，全国公路总里程457.73万km，比上年末增加11.34万km，公路密度47.68 km/100 km2，提高1.18 km/100 km2[1]。公路建设有力地推动了公路运输业的发展，但公路超载运输现象愈发严峻，重载车辆特别是大幅超限车辆显著增加，后轴从限定的100 kN增加到180 kN甚至200 kN以上，轮胎对路面的压强从控制压强0.7 MPa以内增加到1.2 MPa。一些路面在使用初期就发生了严重破坏，而大量超限车辆是路面破坏的重要因素[2]，尤其是在高温季节，高速公路行车道轮迹带承受大量重车荷载的反复作用，将会直接影响路面的使用寿命。有试验资料表明：在一定的条件下路表温度在40 ℃～60 ℃之间时，沥青混合料温度每上升5 ℃，其变形增加2倍[3]。因此加强高温重载因素对沥青路面结构力学特性的研究对沥青路面结构设计方法具有重要意义。

高温重载交通引起的路面早期破坏问题已成为国内外学者研究的焦点。Hao Y等[4]研究了重载对沥青路面路用性能及使用寿命的影响程度；王辉等[5]通过现场调查、理论计算以及室内试验研究了高温重载对沥青路面车辙的影响规律；艾长发等[6]研究了重载交通作用下沥青路面结构的力学响应；周俊等[7]定性研究了重载条件下沥青路面竖向变形；关志深[9]研究了50号硬质沥青在湿热地区的应用；季节等[9]分析了高温重载耦合作用下， DCLR改性沥青混合料抗变形能力的影响；SAEVARSDOTTIR等[10]研究了重载作用下柔性路面的变形特征；李辉等[11]分析了连续变温状态下沥青路面车辙状况；QIAO[12]研究了考虑叠加效应的沥青重载车辙试验；曾俊铖[13]分析了高温条件下沥青路面的剪应变特征。这些研究多局限于单因素条件下的力学响应分析，对重载与温度耦合作用的研究相对较少，且大多数研究只是对影响程度作定性评价，缺乏对高温重载耦合作用下沥青路面力学特性变化规律的定量分析。为此，本文基于三维有限元方法，以半刚性基层沥青路面结构为对象，采用ANSYS软件定量分析常温与高温及不同超载率情况下路面结构的力学特性，定性分析温度与轴载对各力学指标的影响程度。

1 计算模型与原理

所取的路面结构模型三维尺寸为：沿路面纵向(长)及横向(宽)均为10 m，路面总厚度为0.76 m(未考虑土基)，由4 cm SMA-13沥青混凝土上面层、6 cm AC-20沥青混凝土、8 cm AC-25沥青混凝土、38 cm水稳碎石基层及20 cm水稳碎石等5部分组成。采用有限元位移法的相关原理，对该结构模型进行分析。

2 计算条件

2.1 单元划分与边界条件

路面结构在水平方向和深度方向取有限尺寸，单元网格划分见图1。对其两侧进行约束，面层表面作为自由面，不进行任何约束。

图1 路面结构单元划分

2.2 计算参数

本文主要讨论在常温(40 ℃)与高温(70 ℃)时5种荷载作用下路面结构力学响应的差异，其荷载等级大小见表1。结构层材料按弹性材料考虑，各层材料的厚度及力学参数见表2。其中沥青混合料动态模量E按美国沥青路面协会AI得出的计算公式确定：

|E|=100 000×10β1

β1=β3+0.000 005β2-0.001 89β2f-1.1

β2=β40.5×Tβ5

β3=0.553 833+0.028 829(P200f-0.170 3)-

0.034 76Va+0.070 377λ+0.931 757f-0.027 74

β4=0.483Vb

β5=1.3+0.498 25lgf

λ=29 508.2(P25 ℃)-2.193 9

式中：β1～β5为中间参数；f为荷载频率，取6 Hz；T为路表温度，取40 ℃和70 ℃；P200为集料通过200号筛孔的百分比，取6%和5%；Va为空隙率，取4.5%和4%；Vb为沥青体积，上、中、下各面层分别取11%、9.2%、9.0%；P25 ℃为25 ℃针入度。

表1 荷载水平

表2 路面结构各层材料基本参数

3 计算结果与分析

3.1 路表弯沉

路表弯沉指在一定荷载作用下路表面的竖向变形，是反映路面结构整体承载能力高低和使用状况好坏最直观的指标[14]，它是由路面各结构层各自变形综合作用的结果，一定程度反映路面各结构层的力学性能。路面表面在常温(40 ℃)和高温(70 ℃)下与重载耦合作用后的竖向位移分布见图2、图3，根据竖向位移分布情况统计所得UYmax值,见表3及图4。

由图2、图3可以看出，路面表面竖向位移随着轴载的增加与温度的升高而增大，但温度对竖向位移产生的作用比轴载显著，且随着路表温度的升高，轴载变化对一定水平向范围内路面表面竖向位移影响不显著。

图2 常温(40 ℃)时不同轴载超限作用下路表竖向位移分布

图3 高温(70 ℃)时不同轴载超限作用下路表竖向位移分布

表3 温度及重载耦合作用下路面竖向位移UYmax

图4 温度及重载耦合作用下路面竖向位移

路面在高温环境下，沥青层中沥青的粘度出现急剧下降，集料颗粒之间的粘结力减小，高温和重载的耦合作用使得表面竖向位移显著增加。从表3和图4中可以看出，竖向位移最大值与轴载成正线性相关关系，当超限率达100%时，竖向位移最大值在常温与高温条件下均是标准轴载作用下的2倍。在不同轴载作用下，竖向位移最大值高温条件均比常温增加了500%，但是在高温环境中，竖向位移随着轴载量级的增加而增大。可见在高温和重载耦合作用下，会加速致使路面开裂、沉陷及坑槽等病害。

3.2 拉应力

半刚性基层沥青路面在行车荷载作用下表面产生弯沉，使得路面各结构层底产生弯拉应力。面层底部的拉应力是沥青路面面层是否产生裂缝的重要控制指标，拉应力若超过极限则会引起路面结构的破坏，各结构层在高温(70 ℃)与重载耦合作用下层底最大拉应力值见表4及图5。

表4 高温及重载耦合作用下各层层底拉应力最大值 MPa

注：“-”表示拉应力。

图5 高温及重载耦合作用下各层层底压应力最大值

由表4与图5可知，基层与底基层基本不承受拉应力，故随轴载的增加压应力变化不明显，而上、中、下各面层拉应力随着荷载的增加不断增大，当超限率为100%时，其值约为标准轴载的2倍。超限运输使沥青面层拉应力增长较快，且上面层拉应力最大，因此由拉应力造成的破坏最先在上面层发生。由于下面层与基层沿水平方向拉应力分布分别为负、正值，故在面层与基层接触面上容易产生较强的剪切破坏。在高温环境中，各层层底拉应力都有不同幅度的增长，但面层比基层增长幅度更大。因此，在高温重载作用下，极易产生温度疲劳型破坏，当各结构层底拉应力值超过材料疲劳强度，底面便开裂，进而向上表面发展。

3.3 压应力

由于行车荷载作用产生的压应力会使路面结构产生压密变形，在施工控制中若压实度不够、材料组合设计不当或基层、底基层整体性不是很好的情况下，行车荷载产生的压应力会使路面结构产生不均匀沉降，导致路面破坏。在行车荷载作用下，压应力由面层逐层向下传递，常规因素和极端因素作用下结构各层压应力分布见图6、图7；常温及高温不同轴载作用下路面结构压应力随深度分布见图8，温度及重载耦合作用下路面结构各层压应力最大值见表5及图9。

图6 标准轴载常温作用下结构各层压应力分布

图7 超限100%高温作用下结构各层压应力分布

由图6、图7可以看出，由于面层较薄，行车荷载产生的压应力还未完全扩散，主要集中在车轮周围，并在轮迹作用点下方达到峰值；而基层与底基层较厚，应力扩散明显，压应力消减迅速。由于上面层压应力最大，从而最容易产生压密变形，且在高温重载(超限100%)环境中，压应力约为常温标准轴载的2倍，因此在高温季节更要保证面层施工时的压实度。

图8 温度及重载作用下压应力随路面结构层深度分布

表5 温度及重载耦合作用下结构各层压应力最大值

图9 温度及重载耦合作用下结构各层压应力最大值

由表5和图8、图9可以看出，结构各面层压应力最大值随轴载的增加而增大，但基层压应力值增加幅度非常小，面层压应力最大值与轴载呈正线性相关；在高温环境中，结构各层压应力虽有一定增加，但变化幅度很小，说明结构各层层底压应力与轴载相关显著，而与温度相关不大。

3.4 剪应力

公路使用状况表明，剪应力会使面层产生较严重的推移、拥包、车辙等损坏。对于沥青路面，特别是夏季高温时节，较小的剪应力也会使沥青面层产生严重的剪切破坏。因此，研究高温重载作用下路面结构的剪应力发展规律很有必要。在不同温度、不同轴载作用下路面结构各层层底最大剪应力分布见表6及图10。

表6 温度及重载耦合作用下结构各层剪应力最大值

图10 温度及重载耦合作用下结构各层剪应力最大值

由表6及图10可知，各面层是结构剪应力集中区域，其中常温时(40 ℃)中面层剪应力最大，高温时(70 ℃)上面层剪应力最大，但基层剪应力不足面层的50%，各层剪应力与轴载呈线性正相关；在高温环境中，结构各层最大剪应力都较常温增大，这是由于沥青结合料的粘结力随着温度的升高而降低，当温度超过沥青软化点时，结合料基本处于流动状态，粘结力急剧下降，致使在高温重载环境中，面层剪应力会使面层产生严重的剪切变形，出现车辙现象。

4 结束语

路面结构三维空间力学分析可以近似模拟实际路面在不同因素作用下的力学特性，本文通过分析半刚性路面结构在温度与重载耦合作用下各力学指标的响应，得到如下结论：

1) 路表弯沉随着轴载增加而增大，竖向位移最大值与轴载呈正线性相关，当超限率达100%时，其值约为标准轴载的2倍；高温环境中，竖向位移最大值随轴载增加幅度增大。

2) 路面结构拉应力与轴载均呈正线性相关，且面层拉应力比基层拉应力增长幅度更明显；高温重载(超限100%)环境中，压应力约为常温标准轴载的2倍，在高温环境中，结构各层压应力虽有一定增加，但变化幅度不太明显，重载对结构各层压应力的影响较温度的影响更显著；面层是结构剪应力集中区，常温时中面层剪应力最大，高温时上面层剪应力最大，在高温重载(超限100%)作用下，其值约为常温标准轴载的2.21倍。

3) 高温重载环境中，路面弯沉及结构应力均有大幅增加，使得路面结构产生较大的弯拉变形、压密变形及剪切变形，这些变化的综合作用使路面损坏程度加深，较大降低了路面结构的使用寿命。