高速公路高模量沥青路面典型结构力学行为分析

□文/邳慧然 李正中 武岩峰 牛 军

高模量沥青路面材料技术源于法国，其设计理念是通过提高沥青混凝土的模量，减小车辆荷载及高温作用下沥青混凝土的应变路面结构的塑性变形，达到提高路面抗车辙能力，减薄路面厚度和提高路面耐久性的目的[1]。我国于2005年开始进行高模量沥青混凝土应用技术的研究，总体上还处于起步和探索阶段，天津市尚未开展相关尝试。本文结合天津地区高速公路的典型结构，通过使用KENLAYER和ANSYS有限元软件[2～3]，对不同沥青混凝土路面结构进行应力分析和车辙预估模拟，为天津市高速公路路面结构层中高模量沥青混凝土材料的大规模应用提供参考。

1 材料参数

采用JTGD 50—2017《公路沥青路面设计规范》给定范围的中值作为SBS改性沥青及普通沥青混合料回弹模量的计算分析参数；采用GTM旋转剪切成型方法对高模量沥青混合料进行设计，采用70号A级道路石油沥青并外掺0.4%PR-Module 高模量改性剂（质量比）。见表1[4]。与路基土、级配碎石相比，半刚性基层材料的非线性力学特征不明显[5]，可认为半刚性基层材料为理想弹性材料，其模量取值见表2[6]。

表1 沥青混合料基本参数 MPa

表2 半刚性材料的模量 MPa

2 路面结构

2.1 典型结构形式

天津地区高速公路常用的路面结构形式见图1。

图1 典型沥青路面结构

研究表明，高速公路路面车辙主要产生于中面层，因此将高模量沥青混合料用于高速公路中面层，见图2。

图2 高模量沥青路面结构

2.2 计算点

沥青路面面层应力计算点见图3。

图3 应力计算点位

双圆均布竖向荷载P=700 kPa，荷载圆半径R=10.65 cm。在XOY水平面内，1号点坐标为（-15.975，0），2号点坐标为（-13.31，0），3号点坐标为（-10.65，0），4号点坐标为（0，0），单位均为cm。

在XOZ水平面内，最大剪应力计算点间距在路面结构中为1 cm，为系统清晰地反映剪应力在路面结构中的分布，在相应水平坐标点下，沿向路基内部方向，对层间位置附近增加计算点密度，上承层层底和下卧层层顶均分别设置计算点；在基层范围内计算点间距适当放大为2 cm，同样对层间位置附近增加计算点密度。

3 路面结构行为分析

3.1 剪应力

采用KENLAYER 路面结构分析软件对普通沥青路面结构和中面层为高模量沥青路面结构的剪应力分布情况进行分析，见图4和图5。

图4 普通沥青路面结构

图5 高模量沥青路面结构

从图4 可以看出，对于高速公路普通路面结构而言，剪应力峰值主要集中与2～10 cm范围内，基本属于上面层下部到中面层底部之间，上面层峰值约为214 kPa，中面层剪应力峰值约为182 kPa 且绝大多数剪应力峰值都出现在上、中面层之间及中面层底部位置。

从图5 可以看出，对于高模量沥青材料用于中面层结构而言，剪应力峰值同样集中在2～10 cm 范围内，基本属于上面层下部到下面层中部之间，上面层剪应力峰值约为202 kPa，中面层剪应力峰值约为181 kPa 且绝大多数剪应力峰值都出现在上、中面层之间及中面层层底位置。

但高模量沥青面层结构的剪应力峰值有明显的降低，上面层轮迹边缘下2 cm处的剪应力峰值降低了约5.6%，下面层的剪应力也略有下降，其他位置的剪应力峰值也有不同程度降低，同时剪应力峰值出现的位置也有一定程度降低。

高模量沥青材料放置在中面层，对于改善沥青路面抗车辙稳定性具有明显优势，可以优化剪应力的分布，削减沥青面层结构内剪应力的峰值。

3.2 疲劳寿命

采用KENLAYER 路面结构分析软件对普通沥青路面结构和中面层为高模量沥青路面结构的水平方向 力分布情况进行了分析[7]，见表3。

表3 两种路面结构水平应力分布

根据拉应力计算相应疲劳寿命，见表4。

表4 两种路面结构疲劳寿命预估

综合剪应力和疲劳寿命分析，针对高速公路路面结构，建议采用高模量沥青混凝土作为中面层的结构组合设计方案[8]。

3.3 车辙预估

普通沥青路面结构经过10 000次高温条件轮胎作用后，产生近4 mm的车辙和6 mm多的相对辙槽深度，对车辆的正常行驶会造成明显的影响[9]，雨天会出现明显的积水现象，路面厚度也存在一定程度的减薄现象；而中面层高模量沥青路面结构经过轮载作用后，仅产生约1.7 mm 的车辙深度，相对车辙深度也仅有不到1.8 mm。见图6。

图6 高速公路车辙仿真竖向变形

针对中面层采用高模量沥青混凝土设计方案后，结构抗车辙性能显著提高，对路面综合服务能力的保障起到了重要的基础支撑作用。

根据JTJ 073—96《公路养护技术规范》中容许车辙为15 mm 的控制指标，两种路面结构方案抗车辙性能见表5。

表5 蠕变变形拟合分析

普通沥青路面一般可以保证3 a 不需要对车辙病害的养护作业，而中面层采用高模量沥青路面抗车辙能力有显著提高，抗车辙寿命提高1.5 倍以上，在考虑季节因素条件下，可以保证在设计期限内基本不需要考虑车辙病害的问题[10]。

4 结论

采用高模量沥青混凝土作为高速公路中面层材料，可以显著降低结构层的剪应力峰值，减少层间剪应力的突变点，有效降低剪应力峰值的位置；可以在一定程度上降低拉应力峰值，改善结构层应力分布，对提高结构的疲劳寿命有一定效果；可以显著增强路面抗车辙能力，减小结构层变形，使其在设计寿命期内基本不需要考虑车辙病害的问题，从而达到延长高速公路使用寿命的效果。