双层高模量沥青混凝土路面结构受力特性分析

王 森

(辽宁交投公路科技养护有限责任公司 沈阳市 110000)

0 引言

沈山高速公路由于交通量大、荷载水平高，近年来出现了较为严重的高温车辙病害，2019年至2020年，对病害严重路段进行了维修，为了提高维修路面的高温抗车辙能力，部分路段采用了铣刨16cm沥青面层，然后铺筑两层8cm高模量沥青混凝土AC-20的方案。

已有研究表明，高模量沥青混凝土在高温条件下，模量更高，明显高于SBS改性沥青混凝土，例如，在45℃、10Hz条件下，高模量沥青混凝土的动态模量可达到SBS改性沥青混凝土的2倍以上，达到2000MPa以上，在55℃、10Hz条件下，仍可达到SBS改性沥青混凝土的1.2倍以上[1-3]，因此可以降低表面层和中面层的应变水平，从而避免结构层出现高温塑性失稳，并且，在实际的应用中，高模量沥青混凝土取得了良好的抗车辙效果[4-5]。目前，双层8cm高模量沥青混凝土AC-20路面结构的应用在国内外尚属首次，对于该路面结构的受力特性分析仍然较少，从双层高模量沥青混凝土路面结构的高温永久变形累积规律分析与优化设计等方面考虑，有必要对其结构内的应力应变分布特征进行分析。

由于路面荷载为动态荷载[6]，因此，利用各结构层的动态模量参数，建立了弹性层状体系模型，其中高模量沥青混凝土AC-20的动态模量采用室内的试验结果，其它结构层的动态参数参考已有研究成果确定[7-9]，然后使用BISAR 3.0 软件对路面结构内的典型位置处的应力应变分布规律进行了分析。

1 计算模型建立

1.1 车轮荷载模型

分析时采用竖向双圆荷载模型[10]，荷载直径为21.3cm，荷载间距为31.96cm，针对重载交通，压力值设为1100kPa。对于车辙变形，荷载正下方以及荷载边缘是2个典型位置，重点对这两个位置进行分析，如图1所示，A点指示的是荷载下方，B点是荷载边缘。

图1 荷载模型

1.2 结构层温度确定

高模量沥青混凝土的动态模量受温度影响较大，准确确定结构层温度是合理选择沥青路面结构层力学参数的前提。首先，将上、下面层分别平均分为2层，按深度方面分别记为上面层1和上面层2、下面层1和下面层2，并且4个结构层温度以各自层中位置处的温度作为代表值，按照下式进行计算[11]，并结合国内研究成果[12]，确定下午13点时各结构层温度如表1所示。

表1 13点时各结构层选定的温度

Tsurf-Tair=-0.00618Lat2+0.2289Lat+24.4

Th=Tsurf(1-0.063h+0.007h2-0.0004h3)

式中：Tsurf—路表温度，℃；

Tair—7d最高平均温度，℃；

Lat—项目所在地的地理纬度。

其中，纬度选择41.1°，空气温度选择31.6℃。

1.3 结构层动态模量参数确定

按照试验规程[13]中T0738的试验方法，使用SPT进行动态模量试验，开展了15℃、30℃、45℃、55℃等4个温度条件、不同加载频率的动态模量试验，不同温度条件下，其中10Hz动态模量试验结果如图2所示。

图2 高模量沥青混凝土动态模量随温度变化

从图2中可以看出，荷载频率10Hz条件下，高模量沥青混凝土对温度敏感性较强，其动态模量随温度的升高而逐渐降低，整体上呈现逐渐减缓的趋势。使用3次多项式进行拟合，其它位于试验温度范围内的模量值可由拟合曲线近似求得。

1.4 结构模型建立

根据动态模量试验结果，针对高温重载使用条件，建立结构模型如表2所示。其中高模量沥青混凝土面层的模量值均采用了加载频率为10Hz的动态模量数值，非试验温度条件下的模量值按照拟合公式进行了计算，最终建立的结构模型如表2所示。

表2 计算模型参数

2 结果分析

2.1 荷载下方A点压应力与压应变分析

荷载下不同深度处压应力与压应变如图3、图4所示。

图3 荷载下方不同深度处竖向应力

图4 荷载下方不同深度处竖向应变

由图3、图4可以看出，在高温重载交通条件下，对于双层高模量沥青混凝土结构：

(1)竖向压应力整体上随深度逐渐降低，但是在6cm以上，应力水平降低幅度较小，与路表面相比，仅降低了约10%，6cm以下降低速率加大，但降低速率均一，应力水平仍然较高，即使在13cm深度处，竖向压应力仍可达约0.7MPa，为路表压力的63.6%。

(2)竖向压应变随深度的变化规律是先升高、后降低，在0～6cm深度范围内，应变水平较高，达到了250με以上，在6cm以下，竖向压应变水平随深度逐渐降低，但在9cm深度处，应变水平仍然达到了约200με，11cm深度以下，应变水平降低为150με以下。

(3)从荷载下方的竖向压应力与压应变两个方面分析，对于双层高模量沥青混凝土路面结构，路表至9cm深度之间层次的应力应变水平均较高，将是未来高温永久变形累积的主要层次。

2.2 荷载下方与荷载边缘剪应力与剪应变分析

图5 不同深度处最大剪应力

图6 不同深度处最大剪应变

由图5、图6可以看出，对于双层高模量沥青混凝土结构，在高温重载交通条件下：

(1)在荷载正下方，剪应力整体规律为随深度先升高后降低，在深度为6cm左右处达到较高水平；在荷载边缘，剪应力随深度先升高后降低，在深度为2cm左右处达到较高水平。

(2)不论在荷载正下方还是荷载边缘，剪应变均随深度先升高后降低；对于荷载边缘深度2cm位置处，剪应变达到较高水平，对于荷载下方0～7cm深度区间的剪应变水平较高；最大的剪应变出现在荷载边缘、深度为2cm左右位置处，剪应变水平达到270με左右；在6cm以下的相同深度处，荷载正下方的剪应变水平均高于荷载边缘。

(3)结合荷载正下方与荷载边缘处的剪应力与剪应变分析，在深度7cm以上区域，剪应变水平高于150με，是高剪应力剪应变区。

3 结论

基于沥青路面结构层动态模量，利用弹性层状体系模型，对双层高模量沥青混凝土路面结构在高温重载条件下的受力特性进行了分析，得到以下一些结论：

(1)高温重载条件下，双层高模量沥青混凝土路面结构在荷载下方的压应力随深度逐渐降低，但整个沥青路面结构的压应力水平均较高；竖向压应变随深度先升高后降低，深度2～6cm区间内是压应变水平较高区域，可达250με以上；

(2)高温重载条件下，荷载下方与荷载边缘的剪应力与剪应变均随深度先升高后降低；最大剪应变出现在荷载边缘2cm深度位置处，达到270με左右，在6cm以下的相同深度处，荷载正下方的剪应变水平均高于荷载边缘；

(3)结合荷载下方与荷载边缘的压、剪两个方面的受力特性分析，路面深度0～9cm区间是双层高模量沥青路面的高应力应变区，深度2cm左右位置处为应变的极值位置。