旧路基层实测模量与设计模量的差异对路面受力影响分析

刘 毅，李增光，朱兆祯，杨永富，姜文杰

(1.中建八局第二建设有限公司 济南市 250014； 2.山东省交通科学研究院 济南市 250100)

我国高等级公路普遍采用的半刚性基层材料具有良好的抗变形能力，但是由于材料、级配、施工技术等方面的影响，导致模量变化范围比较大，路面结构层模量存在一定的变异[1]。面层和基层的弹性模量对半刚性基层沥青路面结构有明显的影响，是造成沥青路面损坏的内在因素之一[2]。2017版《公路沥青路面设计规范》与2006版的相比对路面材料主要设计参数进行了调整，分别以弹性模量及动态压缩模量作为无机结合料稳定材料和沥青结合料类材料设计参数之一，以沥青层永久变形和基层底拉应力为设计指标[3]。依托高速公路旧路设计方案，在统一的荷载和温度条件下，利用三维有限元方法，分别对路面原设计参数模量与实测模量对应的路面结构控制指标值进行计算，分析路面内部受力与半刚性基层模量变异的关系[4]。

1 有限元模型及参数

1.1 模型建立

创建了基于弹性层状体系理论的半刚性基层沥青路面ABAQUS程序有限元模型，适当优化荷载条件和边界，并假定路面各层材料的材质都是完全各向同性和均质弹性的；土基作为一个半无限弹性的空间，路面各结构层次在水平方向无限延展，在纵向方向的厚度是有限的；认为将垂直均布荷载施加在路表面上时，在路面无限深、无限远处荷载的影响为零；不考虑路面层间接触面摩阻力，层间是完全连续的[5]。

1.2 模型尺寸及加载方式

在模型水平和竖直方向上采用有限的长度(10×10m)，并由三维实体单元离散，完全约束周围及底部，并且对路面表面没有约束。参考《公路沥青路面设计规范》，荷载设计轴载为100kN，为双圆垂直均布荷载，轮胎的接地压强为0.7MPa，当量圆直径213mm，双轮中心距为319.5mm[3]。

2 设计与实测模量差异下路面受力分析

某高速公路旧路原设计路面结构参数，以及现场实测的基层、底基层模量代表值见表1，并根据表1的路面结构参数建立有限元加载模型，计算出路面各结构层层底拉应力、面层最大剪应力及路表理论弯沉等指标值，分析基层模量变异时路面应力及变形情况，其中弯沉为理论弯沉，未经过弯沉综合系数修正。

表1 旧路路面结构参数

图1、图2分别为原设计模量和实测水泥稳定碎石基层模量情况下路面结构层水平应力分布云图，分析截面为双轮中心线位置；图3、图4分别为原设计模量和实测半刚性基层模量情况下路面结构层剪应力分布云图，分析位置为轮载边缘。

图1 设计模量路面拉应力分布图

图2 实测模量路面拉应力分布图

图3 设计模量路面剪应力分布图

图4 实测模量路面剪应力分布图

为明晰反映路面结构层受力由设计与实测基层模量变化带来的影响，以路面受力编号为横坐标、路面受力数值大小为纵坐标，绘制图5，各力学指标编号代表意义见图中所示。为了便于分析，图中弯沉单位为mm，其它应力指标单位为MPa。图中数值在横坐标轴以下的表明结构层层底为压应力，在横坐标轴以上的结构层层底为拉应力。

1-路表弯沉；2-上面层底面拉应力；3-中面层底面拉应力；4-下面层底面拉应力；5-基层底面拉应力；6-底基层底面拉应力；7-沥青层最大剪应力

从图5可以看出，由于基层和底基层实测模量比原设计模量大，计算得到的基层与底基层层底应力相应地大于采用原设计模量计算结果，与应力刚度分配原则相契合，即对同一结构层，其模量越大则刚度越大，相应结构层承受荷载能力越强[6]。同时，由于基层模量增大，与之相邻的下面层压应力小幅增大，上面层和中面层压应力减小。由于面层剪应力主要受面层模量与厚度影响更大，故面层最大剪应力基本上无变化。由于基层与底基层实测模量增大，使路面拥有更强的抗变形能力，从而导致路表实际弯沉的减小。

3 基层模量改变对路面受力影响

为较系统分析沥青路面内部力学响应与基层模量改变之间的关系，改变基层模量的数值[7]，基层模量分别取1100、1300、1500、1700、1900MPa，其它结构层的模量取值同表2原设计模量数值，将结果输入建立的上述模型，分析路表弯沉和沥青路面结构内部应力情况，见图6～图8，图中拉应力和压应力分别以正数和负数代表。

图6 不同基层模量下路表弯沉

图7 面层层底拉应力随基层模量变化情况

图8 基层层底拉应力随基层模量变化情况

由以上的分析可以看出：

(1)路表弯沉与基层模量变化趋势相反，由基层模量增加引起弯沉变小，变小幅度越来越小[8]。弯沉减小则代表路面刚度有所增加，随着承载力的增加，承载力不足引起的路面形变降低。

(2)不同基层模量条件下，面层底部拉应力为负，均受到压应力作用，沥青层结构的弯拉疲劳破坏现象不会明显发生；中面层层底应力受基层模量改变的影响最小，基层模量增加进而下面层层底压应力变大，上面层则反之。

(3)基层、底基层层底拉应力继基层模量增加分别持续增大或减小。按照现行设计规范，对于半刚性基层沥青路面，分别以层底拉应力和永久变形量作为无机结合料稳定层和沥青混合料层设计指标[3]。根据力学理论分析，基层是否疲劳开裂受该层层底拉应力控制，过高的基层模量将导致其层底拉应力增大，如果基层开裂破坏进而可能影响路面使用寿命。

4 结论

通过高速公路旧路原设计方案与现场实测路面模量比较，采用三维有限元方法模拟计算，研究了路面设计与实测回弹模量差异对路表弯沉及路面内部力学响应的影响，并进一步较系统分析了路面结构层力学响应与基层模量的关系，可以得出以下结论：

(1)由于基层和底基层实测模量比原设计模量大，采用实测模量计算得到的基层与底基层层底应力更大，路表实际弯沉减小，路面抵抗变形的能力提高；由于面层剪应力主要受面层模量与厚度影响更大，故面层最大剪应力基本上无变化。

(2)在基层模量逐渐增大的条件下，各沥青结构层层底受到压应力，其中对中面层层底应力影响最小；基层模量增加继而下面层层底压应力变大。

(3)基层、底基层层底拉应力继基层模量增加分别持续增大或减小。基层疲劳开裂容易因为其层底拉应力过大而产生，从而导致疲劳寿命减少，如果基层模量过大，则面层受到的压力也可能过大，过大的压力可能导致车辙的产生，因此，基层模量也不宜过高。