高模量沥青路面结构力学特性分析

蔡州鹏

（漳州市公路事业发展中心 长泰分中心，福建 长泰 350605）

0 引言

我国高等级公路具有交通量大、重载车辆多等特点，部分高温地区已出现大量车辙病害，具体有如下几种类型：磨损型车辙、压缩型车辙、结构型车辙 、流动型车辙[1]。目前，我国高等级公路的流动型车辙现象较为严重，因此提高路面结构抵抗车辙变形能力的需求不断增加，工程界的研究人员研究了多种新型材料，其中高模量沥青混凝土动态模量可达14 000 MPa以上，表现出优异的抗车辙、抗疲劳能力[2-3]。高模量沥青混凝土所用的材料由硬质沥青和连续级配粗集料组成，可以改善混合料的沥青胶结性能，具有良好的高温稳定性和抗疲劳性能，能够延缓车辙现象的产生，减小车辙的深度，延长路面的使用寿命[4-5]。高模量沥青混凝土在我国的应用可大致分为如下3个阶段。摸索阶段（2000—2005年）：从法国引入高模量沥青混凝土的概念，该阶段将抗车辙剂应用在高速公路路面面层结构中。实验阶段（2005—2008年）：我国开始自主研究高模量沥青混凝土，并应用于解决沥青道路流动性车辙问题，该阶段铺筑了众多高模量沥青混凝土试验段并进行后期的跟踪评价。推广阶段（2009年至今）：高模量沥青混凝土被证实作为路面结构层中的基层或中面层可以有效解决流动性车辙问题。全国各地纷纷开始将高模量沥青混合料作为路面结构层组成部分进行推广[6-7]。本研究旨在通过路面结构力学分析，探讨高模量及普通模量沥青混合料路面结构的力学差异。

1 模型建立

1.1 基本假设

沥青面层主要的承载结构层为中面层，同时它是出现车辙比较严重的结构层。因此，本研究拟将高模量沥青混合料与普通沥青混合料应用到中面层，借助3D-Move Analysis软件对两种路面结构进行力学分析和对比。

1.2 拟定路面结构

上面层采用改性沥青玛蹄脂碎石混合料，中面层采用高模量沥青混合料和高性能改性沥青混合料，基层采用半刚性基层——水泥稳定碎石。由于每层材料的刚度不同，也不能相对滑动，因此会在接触面出现较大的拉应力。通过描述各界面条件所对应的影响结构层内应力的分布位置及大小，发现最大拉应力主要集中在中面层，在超荷载作用下容易使各界面受损，特别是中面层受损更严重。具体路面结构及材料参数见表1、表2。

表1 拟定路面结构及材料参数（一）

表2 拟定路面结构及材料参数（二）

采用高模量沥青混合料作为中面层，以期降低荷载作用下沥青混合料产生的变形，从而提高路面的整体强度。高模量沥青混合料具有以下几点特性：①与传统的AC-20C、Superpave-20沥青混合料类型相比，高模量沥青混合料具有良好的高温性能、模量性能和抗疲劳性能。②高模量沥青混合料空隙率较小，易压实，可实现一次摊铺，与常规的沥青混合料相比，可避免因分层压实造成层间界面不连续而延误开放交通时间等问题。③采用高模量沥青混合料提高路面抗车辙性能，与SBS改性沥青混合料相比，不仅可以降低造价，而且能避免使用SBS改性沥青产生的离析现象，提高路面的均匀性。

1.3 模型几何及计算点位确定

本文将应用3D-Move Analysis 路面结构分析软件，对新型高模量沥青混合料与传统普通模量沥青混合料对应的沥青路面结构在荷载作用下的力学响应进行分析，设计荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎接地压强p=700 kPa，当量圆直径2=21.6 cm，计算模型及荷载分布形式（如图1、图2），X为行车方向，Y 为路面横断面方向，Z为路面深度方向。随着路面深度的增加，由车轮传递下来的荷载逐渐衰减，接触力越来越小；在荷载作用下，沥青路面结构的路表最大变化量不是出现在轮隙中心处，而是在荷载作用中心处，变化量为0.23～0.28 mm，沥青路面结构在左右轮荷载作用下，路面深度Z方向位移呈线性对称变化，随着路面结构深度增加，位移逐渐变小。在外力作用下，轮隙中间处和轮外侧受到横向挤压作用，会让向下变形受到限制而产生向上凸起现象。进行力学响应计算时，沿X行车方向拾取点位的间距为10.8 cm，共5 个计算点位（分别为X=-21.6 cm、-10.8 cm、0 cm、10.8 cm 、21.6 cm），沿路面横断面Y方向拾取点位的间距为5.326 cm，共20 个计算点位（含路面结构内拉应力最大值处A、B、C 和D4个点）。

图1 X-Y平面应力计算点位分布示意图

图2 Y-Z平面应力计算点位分布示意图

2 高模量沥青路面应力响应分析

2.1 路面结构典型点位沿深度方向的应力分布

从两种路面结构典型点位分别对A点、B点、C点、D点进行计算，路面深度的正应力分布点次序如图3、图4所示，其拉应力为负值，压应力为正值。

图3 高模量沥青路面结构应力分布（结构一）

图4 普通模量沥青路面结构应力分布（结构二）

由图3和4可知，在道路的行车方向（X方向），沥青面层承受压应力，基层承受拉应力。结构一中，A、B、C、D 4点在路表及基层、底基层层底的拉压应力均略小于结构二，中面层及下面层层底的压应力明显小于结构二。表明结构二中面层由于采用了高模量沥青混合料，因此增强沥青层的抗变形能力，减少运行后期出现鼓包、车辙、坑槽等病害的风险。

在道路的行车方向，路表A点在沥青路面沿X方向产生最大压应力，高模量沥青路面结构路表最大压应力为0.61 MPa，普通模量沥青路面为0.65 MPa。沿X方向最大拉应力均发生在底基层层底的D点处，高模量沥青路面最大拉应力为0.101 6 MPa，普通模量沥青路面为0.104 5 MPa。由此可见，中面层采用高模量沥青对表面层抗压和基层抗拉能力的提升效果非常有限。

由分析结果可知，在静力荷载作用下，结构一沿X方向在中面层层底A、B、C、D 4点处的压应力分别为0.016 MPa、0.036 MPa、0.045 MPa、0.049 MPa；结构二分别为0.078 MPa、0.067 MPa、0.066 MPa、0.065 MPa。表明高模量沥青混合料中面层的应用对中面层抗车辙、坑槽有显著改善作用。

2.2 路面结构YZ剖面应力分布

计算得到两种路面结构在X=0 处横向剖面的应力SZZ，荷载作用下沿Z方向的正应力受压取正值，受拉取负值的分布情况如图5、图6所示。

图5 路面结构一：YZ剖面SZZ应力分布（高模量）

图6 路面结构二：YZ剖面SZZ应力分布（普通模量）

从图5和图6中可以看出，结构一与结构二沿Z方向的正应力均以X轴对称分布，并且荷载作用区域两侧约距离范围内为高应力区。两种路面结构的应力分布情况一致，区别仅在于高模量沥青路面结构沿Z方向的正应力略小于普通模量沥青路面结构。

计算得到两种路面结构在X=0 处横向剖面的应力SXX，荷载作用下沿Z方向的正应力受压取正值，受拉取负值的分布情况如图7、图8所示。

图7 路面结构一：YZ剖面SXX应力分布（高模量）

图8 路面结构二：YZ剖面SXX应力分布（普通模量）

由图7和图8可以看出，不同于沿深度方向的正应力SZZ的分布情况，两种路面结构沿行车方向的正应力SXX分布情况差异显著。两种路面结构的最大压应力均出现在中、下面层范围内，高模量沥青路面结构的最大压应力值为139.0 kPa，普通模量沥青路面结构的最大压应力值为101.5 kPa。高模量沥青混凝土中、下面层出现应力集中现象，并且压应力仅分布在荷载作用区域两侧约距离范围内，有效吸收了表面层传递的压应力，并进一步阻止压应力向下传递，高效利用高模量沥青混凝土优异的抗变形能力抵抗路面结构内的压应力。普通模量沥青混凝土路面结构的压应力在表面层及中下面层的整个横断面均有扩散分布，增大了沥青路面表面层的变形风险，对表面层沥青混凝土的抗变形能力提出更高要求[8]。根据以上对比分析，高模量沥青混凝土可确保荷载作用下结构层损坏控制在面层顶部较薄的范围内，减缓自上向下的车辙，进一步预防连接层以下的结构性损坏，要有针对性、预防性和有计划地养护补救表面层的损坏，因此可运用于重交通或高等级公路项目当中。

3 结论

本文通过将高模量沥青混凝土应用到传统半刚性基层沥青路面中面层中，借助3D-Move Analysis 路面结构分析软件，对新型高模量沥青混合料和传统普通模量沥青混合料对应的沥青路面结构在荷载作用下的力学响应进行分析，主要结论如下。

（1）中面层采用高模量沥青对表面层层底抗压和基层层底抗拉应力的消减效果非常有限。对中下面层层底的应力消减作用显著，增强了沥青层的抗变形能力，减少了公路运行后期出现鼓包、车辙、坑槽等病害的风险。

（2）两种路面结构沿Z方向的正应力均以X轴对称分布，并且荷载作用区域两侧约距离范围内为高应力区。

（3）中面层采用高模量沥青混凝土可有效吸收表面层传递的压应力并进一步阻止压应力向下传递，高效利用高模量沥青混凝土本身优异的抗变形能力抵抗路面结构内的压应力。普通模量沥青混凝土路面结构的压应力分布扩散，增加沥青面层变形风险。