基于使用性能的沥青路面结构方案比选分析

操宇航，刘敬辉，李哲群

（三峡大学土木与建筑学院，湖北　宜昌　443002）

基于使用性能的沥青路面结构方案比选分析

操宇航，刘敬辉，李哲群

（三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002）

在进行沥青路面结构设计时，从众多的路面结构方案中选择出最适合的方案是一个比较困难的问题，路面结构的力学特性是否合理将直接影响到路面的使用性能.通过使用有限元计算的方法对不同的路面结构形式进行受力分析，并建立各不同路面结构的使用性能衰变方程来分析各路面结构的使用性能变化规律，综合比较受力分析的结果和所建立的各路面结构性能曲线，可以从考虑性能的角度出发为路面结构方案比选提供一个可行的方法.关键词：有限元计算；受力分析；路面使用性能；结构方案比选

沥青路面是由沥青面层、基层、垫层、底基层等组成的多层结构，由于各层结构的材料和厚度有不同的组合形式，致使路面结构方案的设计存在多种选择.不同的路面结构方案其使用性能和路面结构行为会出现较大的差异，选择合理的路面结构方案可以使沥青路面具有良好的使用性能以及结构行为，而如何选定最佳的路面结构方案则是需要解决的关键问题.目前常用的路面方案选择方法主要是层次分析法［1］、模糊综合评判法［2］以及寿命周期费用分析［3-5］的方法.层次分析法和模糊综合评判的方法的评判结果主要根据专家的判断来得出，其评判过程无法定量表示，因此方案评判的可信度比较低；寿命周期费用分析法是对不同的路面结构方案考虑其寿命周期内所有费用的分析方法，寿命周期费用分析法主要应用于路面经济分析，被认为是比较合理的方法，但是值得注意寿命周期费用分析法对于路面性能的高低并没有进行考虑，因此就路面性能而言，采用该方法所推荐的方案可能不是最佳的.

本文采用有限元计算的方法来对不同的路面结构进行受力分析，并通过建立沥青路面结构的使用性能衰变方程来分析各路面结构的使用性能变化规律，以珠三角地区三种具有代表性的路面结构方案为例，对基于性能的路面结构方案比选研究进行初步探索.

1　路面结构计算分析

1.1计算模型及计算参数

本文选择珠三角地区具有代表性的三条高速公路的路面结构形式进行数值模拟计算，计算参数见表1.

我国规范在进行沥青路面结构设计时以弹性层状体系为力学分析的基础理论，即假定路面各层为平面无限大的弹性层，路基为弹性半空间体.由于在采用有限元计算时，无法将模型取为无限大，所以选择合适的计算模型尺寸十分重要，合理的模型尺寸既可以保证模型的计算精度也能够避免多余的计算量，结合以往的研究［6-7］，本文取路基和路面的平面方向尺寸相等均取为5m，路基深度方向取为6m.模型的边界条件设定为：在模型的底面上没有沿竖向z方向的位移，在左右两个面上没有沿行车方向y方向的位移，在前后两个面上没有沿x方向的位移.参考规范［8］计算荷载采用标准轴载BZZ-100，轮压为0.7 MPa，参考胡小弟关于轮胎接地压力的研究［9-10］，考虑有限元模型网格的划分和加载的方便，车轮荷载分布形式简化为20×20cm的正方形.

表1　计算所用路面结构形式以及参数Tab.1 The pavement structure and parameters used for calculate

表2　轮隙中心处弯沉值的比较（mm）Tab.2 Comparison of surfacing deflection at wheel centre

表3　沥青层底最大拉应力的比较（MPa）Tab.3 Comparison of maximum tensile stress at base of asphalt layer

1.2ABAQUS与BISAR的计算结果对比

从力学角度分析，可以认为半刚性基层沥青路面的主要损坏状态有三种：一是路面表面产生的过大变形；二是路面结构层在车辆荷载反复作用下被拉裂；三是结构层在车辆荷载作用下产生的剪切破坏.对路面结构的受力特性进行分析，有利于结合各路面结构的受力特点进行路面结构设计，对于已建的路面结构也有助于找到致使其路面结构产生损坏的原因.

本文分别采用有限元软件ABAQUS和常用力学软件BISAR来计算各路面结构的轮隙中心处弯沉值以及沥青层底最大拉应力值，并对比两种软件的计算结果，来证明所选择的有限元模型的准确性，计算结果如表2、表3所示.

由表2～3可以看出，BISAR计算得出的弯沉值与ABAQUS计算出的弯沉值结果相差0.03 mm左右，而沥青层底最大拉应力的计算结果相差在0.02 MPa左右，两种计算方法所得结果相差不大.

分析计算产生差异的原因有三个方面：一是由于采用BISAR计算时采用圆形均布荷载，而采用有限元计算时为了方便划分网格将施加的双圆均布荷载换算成了矩形荷载；二是由于在有限元计算时模型网格划分的质量会影响到计算的精度；三是由于BISAR在计算时认为路面结构是一个半空间无限体，在深度和水平方向都是无限大，而有限元方法在进行计算时所考虑的只是有限的结构模型.因此可以认为有限元模型的选择具有正确性.

1.3弯沉

我国现行规范把路表轮隙中心处弯沉作为路面整体抗变形能力的指标，弯沉值的大小可以比较直观的反映出路面的整体承载力大小以及使用状况的好坏.

从表2可以看出结构A在标准车辆荷载作用下轮隙中心处产生的弯沉值最大，而结构B和结构C轮隙中心处产生的弯沉较小，结构B和结构C产生的弯沉值相差不多.就三种路面结构的整体对比而言，结构A采用的是弹性模量较小的级配碎石作为底基层，而结构B和结构C采用的均是弹性模量较大水泥碎石底基层，结构B和结构C的弯沉值较小，在相同的行车荷载作用下其抵抗垂直变形的能力要比结构A强.

1.4拉应力

在行车荷载作用半刚性路面将会产生弯拉应力，弯拉应力的反复作用会使半刚性材料层产生弯拉疲劳破坏.面层层底的弯拉应力是控制沥青面层不产生开裂的重要指标.三种路面结构在标准轴载作用下各层层底产生的拉应力如图1所示.

图1　标准轴载作用下路面结构各层层底拉应力Fig.1 The structure floor bottom stress under standard load

图2　标准轴载作用下路面结构各层层底压应力Fig.2 The structure floor bottom compressive stress under standard load

图3　标准轴载作用下最大剪应力随深度分布图Fig.3 The maximum shear with the depth under standard load

从图1可以看出，各路面结构在标准轴载作用下沥青层的各层层底的拉应力为负值，即为压应力，而基层、底基层层底的拉应力为正值，即为拉应力，在车辆荷载反复作用下面层产生的压应力会引起压缩变形，而基层产生的拉应力会引起压缩变形，因此在面层和基层的接触面上容易造成剪切破坏.结构A和结构B的基层层底拉应力较大，而结构C的基层层底拉应力趋近于0，结构C的底基层层底拉应力大于结构A和结构B.可以看出结构A和结构B均以基层层底为受力最不利位置，而结构C以底基层层底为受力最不利位置.

1.5压应力

在行车荷载作用下路面结构将会产生的压应力，致使路面结构产生压密变形，如果路面的施工质量不好或是基层和底基层整体性不好，车辆荷载反复作用下产生的压应力会导致路面结构因产生不均匀沉降而破坏.三种路面结构在标准轴载作用下各层层底产生的压应力如图2所示.

从图2可以看出，各结构层的压应力随着深度的增加而减小，其中沥青层的压应力比较大，而基层和底基层的压应力趋近于0，说明路面结构的压密变形主要产生于沥青层.而在以上三种路面结构形式中，结构B的沥青层各层层底压应力均要小于结构A和结构C.

1.6剪应力

路面结构在剪应力的作用下会产生推移、拥抱等病害现象，尤其是在夏季高温季节，即使是很小的剪应力也会使沥青面层产生破坏.以上三种路面结构在标准轴载作用下产生的剪应力如图3所示

由图3可以看出，在标准轴载作用下，路面结构的剪应力从路表开始随深度增加而增大，在5～10 cm的深度范围内达到极值，然后随深度的增加而逐渐减小，根据路面各结构层的厚度可知，剪应力对中面层的影响最为显著，其次为下面层.剪应力作用的主要区域为面层，而基层剪应力大小不到面层的一半.在造成沥青路面产生剪切变形和辙槽的所有因素中，沥青面层在行车荷载作用下产生的剪应力是最主要的因素，沥青面层产生的剪应力越大产生的辙槽就越严重.以上三种路面结构中，结构C产生的剪应力最大，而结构B产生的剪应力最小，在车辆荷载反复作用下结构C容易产生的较严重的辙槽，而结构B产生辙槽的情况最好.

2　路面结构行为曲线

路面使用性能的不同要素从不同侧面反映了路面状况对行车要求的适应情况，路面在使用过程中，其承载力逐渐下降，与此同时路面损坏状况逐步发展，通过建立路面结构行为曲线可以判断路面结构的完好程度和损坏发展速率.根据孙立军教授建立的沥青路面使用性能衰变方程［11-12］，可以建立路面剩余寿命与路面损坏状况指数PCI之间的关系.使用性能衰变方程如下式（1）：

式中：PCI为路面损坏状况指数，PCI0为初始损坏状况指数，y为路龄，α为寿命指数，β为形状指数，h为沥青层厚度（cm），ESAL为分布日标准轴次，l0为初始弯沉（0.01 mm），a、b、c、d为回归系数，KrαKrβ为环境影响系数，KmαKmβ为沥青影响系数.

图4　三种不同结构的使用性能曲线Fig.4 The law of pavement performance of the three different structures

建立三种沥青路面结构使用性能衰变方程所采用的初始弯沉值如表2所示，所采用的分布日标准轴次为2006年广东省国道G010的交通量数据35134次，根据式（1）所建立的三种路面结构的性能曲线如图4所示.由图4可以看出，而三种路面结构之间结构A的PCI值下降速度最快，在路龄达到第五年的时候PCI值只有57.5，需要采取养护措施才可继续保持较好的使用性能，而结构B和结构C的性能曲线十分接近，其使用性能衰变情况要优于于结构A，在路龄达到第五年的时候结构B和结构C的PCI值约在60.4左右.珠三角地区由于经济发达，高速公路上的交通量较大，超载重载现象十分严重，当前路面结构形式无法很好地适应交通水平，导致以上三种路面结构的PCI值下降速度均比较快，在路龄达到第五年的时候PCI值就降低到了60左右，因此认为在进行路面结构设计的时候需要更好的考虑超载重载的情况.

3　三种路面结构形式综合评价

1）由以上分析可知，结构A的基层弹性模量较小，在车辆荷载作用下产生的弯沉和沥青层底压应力最大.此外通过图4可知在同等的交通量情况下结构A使用性能下降的最快.因此在同等的情况下，不推荐采用结构A.

2）结构B在标准轴载作用下产生的弯沉和沥青层底压应力均比较小，沥青层出现的最大剪应力值在三种路面结构中也是最小的，其基层和底基层层底拉应力略大于结构A和结构C.通过图4可知在同等交通量情况下结构B的使用性能衰变情况要优于结构A.在同等情况下以上三种路面结构形式中可以优先选用结构B.

3）结构C在标准轴载作用下产生的弯沉和沥青层底压应力与结构B相差不大，但其沥青层产生的最大剪应力要大于结构A和结构B.结构C的性能曲线变化趋势与结构B十分相似，优于结构A.结构C的主要缺点是由于产生的沥青层最大剪应力过大，在车辆荷载的反复作用下可能会产生比结构A和结构B更严重的剪切变形和辙槽.

综上所述，通过计算发现结构A在力学性能上劣于其他两种结构，因此不推荐使用.而结构C由于在车辆荷载作用下可能会产生较严重的辙槽，在采用时建议使用高温稳定性较好的沥青材料.结构B在受力性能上优于结构A和结构B，但是在交通量较大的情况下其结构行为曲线与其他两种结构一样衰变的较快，建议在采用时更好的考虑超载重载的情况.

4　结语

在路面结构方案的选择时，层次分析法和模糊综合评判法主要依赖专家的判断来决定其评判结果，因此方案评判结果的可信度较低，而寿命周期费用分析法往往从经济角度出发而未能考虑各种路面结构使用性能的高低.本文从考虑使用性能的角度出发，结合不同路面结构受力分析的结果以及各路面结构的结构行为曲线，对基于使用性能的路面结构方案比选研究进行了初步的探索.参考文献：

［1］赵焕臣，许树柏，和金生.层次分析法——一种简易的新决策方法［M］.北京：科学出版社，1986.

［2］张跃，邹寿平，素芬.模糊数学方法及应用［M］.北京：科学出版社，1986.

［3］许志鸿，刘志远，林晓.沥青路面结构方案的选择-寿命周期费用分析［J］.中外公路，2006，26（2）：67-70.

［4］刘黎萍，孙立军.沥青路面全寿命结构设计方法概述［J］.同济大学学报，2003，31（9）：1044-1048.

［5］曹志远，张起森.路面性能与寿命周期费用分析［J］.中外公路，2006，26（6）：29-34.

［6］李峰，孙立军，方伽利.考虑沥青层模量梯度的路面结构剪应力分析［J］.交通科技，2005（4）：1-3.

［7］魏连雨，李新明，马士宾，等.面层模量对沥青路面结构受力特性影响分析［J］.路基工程，2014（3）：41-45.

［8］JTGD50-2006公路沥青路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［9］胡小弟，孙立军.不同车型非均布轮载作用力对沥青路面结构应力影响的三维有限元分析［J］.公路交通科技，2003（1）：1-5.

［10］胡小弟.轮胎接地压力实测及沥青路面力学响应分析［D］.上海：同济大学，2003.

［11］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京：煤炭工业出版社，1992：380-470.

［12］孙立军，许志军，陈子建.沥青路面的行为函数［J］.同济大学学报，2003，31（5）：558-561.

责任编辑：时 凌

Performance-based Analysis of Asphalt Pavement Structure Selection

CAO Yuhang，LIU Jinghui，LI Zhequn
（College of Civil Engineering&Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China）

It is a hard problem to recommend the best pavement structure when designing the asphalt pavement structure，for whether or not the mechanical property is good can affect the pavement performance.By using the finite element method we can get the force analysis of different kinds of pavement structure，and analyze the law of each pavement performance by the function of pavement.Thnough a comprehensive comparison of the force analysis and the law of pavement performance of each kind of pavement structure，we can find a feasible method on the performance-based pavement structure scheme selection.

finite element analysis；force analysis；pavement performance；structure scheme selection

U416.02

A

1008-8423（2015）04-0457-04DOI：10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.12.025

2015-10-21.

国家自然科学基金项目（51378121）.

操宇航（1990-），男，硕士生，主要从事道路结构方向的研究.