基于半柔性组合路面的有限元分析

于宏明，杨清尘

（1.重庆交通大学工程设计研究院有限公司，重庆 400074；2.重庆交通大学，重庆 400074）

0 引言

半柔性路面的路用性能相较于普通沥青路面与混凝土水泥路面的优点突出，随着交通行业的发展，半柔性路面越来越多地应用在实际工程中，并且取得了相当可观的成果[1]。大部分研究都在材料方面对于半柔性路面性能进行优化，很少从实际出发来研究半柔性路面在实际应用中的性能。该研究依托于实际工程，从实际出发将SFAC-13与SFAC-20级配分别应用在上面层与中面层并利用有限元分析软件abaqus，对弹性层状体系模型在动态荷载作用下的响应进行模拟分析和校验[2]，并将传统SMA路面进行数值模拟分析，对比分析不同路面的受力与变形的特点。

1 半柔性混合料设计

1.1 基体沥青混合料设计

基体沥青混合料的设计是半柔性混合料设计的重要步骤。SFAC-13使用SBS I-C改性沥青，SFAC-20使用70号A级基质沥青，粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，填料采用矿粉，经过原材料的指标测定试验均满足规范要求。目标级配如图1、图2。经试验SFAC-13最佳油石比为3.7%，SFAC-20最佳油石比为3.4%。通过试验得到目标配合比的性能试验结果见表1。

表1 基体沥青混合料试验结果

图1 SFAC-13基体沥青混合料的配合比设计图

图2 SFAC-20基体沥青混合料的配合比设计图

1.2 水泥基胶浆的设计

参考相关文献[3]，水泥采用华润水泥（湛江）有限公司的P.C32.5R复合硅酸盐水泥，粉煤灰采用广东省化州市粤能化工实业有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，矿粉采用广东省电白县霞洞兰兰石米厂生产的矿粉，微硅灰采用四川某公司生产的微硅灰，减水剂采用减水率为27%的聚羧酸系高效减水剂。通过正交试验最终确定胶浆的配合比以水泥为基础：水泥100%，粉煤灰10%，微硅粉12%，矿粉15%，减水剂1.05%。水为所有胶凝材料总量的50%，水泥基胶浆的性能试验结果见表2，满足《道路灌注式半柔性路面技术规程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表2 水泥基胶浆的性能试验结果

2 半柔性路面路用性能试验

2.1 马歇尔及浸水马歇尔试验

参考相关文献[4-5]，采用最佳油石比成型马歇尔试件，进行灌浆。SFAC-13与SFAC-20级配马歇尔及浸水马歇尔试验结果见表3、表4。试验结果满足《道路灌注式半柔性路面技术规程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表3 马歇尔试验指标测定结果

表4 浸水马歇尔试验指标测定结果

基体沥青混合料未灌浆之前，由于空隙率过大，所以马歇尔稳定度较小、流值偏大。水泥基胶浆的灌入，显著地提高了马歇尔稳定度，使流值减小。

2.2 冻融劈裂试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011的试验方法，采用最佳油石比成型马歇尔试件，进行沥青混合料冻融劈裂试验，SFAC-13与SFAC-20级配试验结果见表5。试验结果满足《道路灌注式半柔性路面技术规程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表5 冻融劈裂试验指标测定结果

灌浆后的基体沥青混合料拥有极佳的水稳性能。

2.3 小梁弯曲试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中的试验方法，采用最佳油石比成型小梁弯曲试件（尺寸5×5×30 cm，试验温度-10℃，加载速度10 mm/min），用弯拉强度与弯拉应变来检验低温抗裂性能。SFAC-13与SFAC-20级配试验结果见表6，满足《道路灌注式半柔性路面技术规程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表6 小梁弯曲试验结果

2.4 高温稳定性检验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中T0703—2011的试验方法，采用最佳油石比成型车辙试件，检验混合料的高温稳定性。SFAC-13与SFAC-20级配车辙试验结果如表7所示。由表中的数据可知满足《道路灌注式半柔性路面技术规程》T/CECS G：D51-01—2019的要求。

表7 车辙试验结果

灌浆后的基体沥青混合料有着极好的高温稳定性，水泥基胶浆的灌入使沥青混合料的高温稳定性大大提高。

3 有限元分析

利用有限元分析软件abaqus，对弹性层状体系模型在动态荷载作用下的响应进行模拟分析。半柔性路面上面层为SFAC-13，中面层为SFAC-20。SMA路面上面层为SMA-13，中面层为SMA-20，参考当地旧路设计情况与相关文献[6-7]得到路面结构组合形式如表8。

表8 路面结构材料和参数

3.1 模型的基本形式

研究模拟在0.7 MPa均布荷载作用下路面结构的应力与变形情况。路面结构是带状构造物，其纵向（行车方向）和深度方向可视为无限大，而横向尺寸相对较小，但建模过程中无法将模型的尺寸取为无限大，因此需合理确定计算模型的尺寸，使其在保证计算精度的同时又不增加过多的计算量。建立道路模型为15 m×5 m的正方形，土基深度4.24 m，依据对称原理建立1/2尺寸模型，即7.5 m×3 m的模型。如图3所示。

图3 半柔性路面结构有限元模型

3.2 输出参数的选择

模型的输出参数必须能够反映路面结构整体性能的变化，从半柔性路面抗车辙的角度出发，首先考虑的是能够表征沥青混合料的高温性能。沥青混凝土的路面结构内产生的应力以及竖向位移对于高温车辙有着重要的影响，故选择沿路体深度的最不利截面的应力变化与沿路面横向的位移变化为输出结果。

3.3 计算结果与数据分析

0.7 MPa均布荷载条件下应力沿最不利竖向截面的计算结果见图4、图5。

图4 0.7 MPa均布荷载条件下水平方向应力

图5 0.7 MPa均布荷载条件下竖直方向应力

0.7 MPa均布荷载条件下竖向位移沿路面横向的计算结果见图6。

图6 0.7 MPa均布荷载条件下竖向位移

通过对结果分析得出，两种路面不论水平应力还是竖直应力均主要集中在面层。经过对比分析，半柔性路面与SMA路面的应力沿竖向最不利截面的分布上拥有相同的分布规律，但是半柔性路面的最大应力都略小于SMA路面。半柔性路面的竖向位移要明显地小于SMA路面，拥有更好的抗车辙能力。

4 结语

a）半柔性路面拥有极佳的路用性能，其性能都能很好地满足规范的要求。

b）两种路面的应力主要集中在面层，而半柔性路面拥有更好的力学性能，所以在整修的路段半柔性路面是较好的选择。

c）在组合路面中，半柔性路面可以很好地发挥出自身的优势，通过模拟可以看出，在动荷载作用下，半柔性路面相较于SMA路面变形更小，结合试验可以看出半柔性路面拥有更好的抗车辙能力。