倒装结构沥青路面疲劳性能分析

2022-05-05刘昕宇杨保兴魏有军

天津建设科技 2022年2期

刘昕宇，杨保兴，魏有军

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392；2.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；3.山东省烟台市龙口公路建设养护中心，山东烟台 265700）

由于设计、施工规范日趋完善，施工机械性能和施工技术不断提高，半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要形式；但随着交通量不断增长，沥青路面的早期破坏现象非常严重。如何解决沥青路面耐久性差、使用寿命短的问题已经成为新时期建设的主要方向之一。

从结构角度来看，半刚性基层材料的模量期望值在材料设计中不易实现。虽然半刚性基层的荷载扩散能力强，有利于减薄路面厚度、降低造价，但是过高的模量会导致基层底面易发生开裂，进而形成反射裂缝[1]。将半刚性基层作为底基层、级配碎石作为基层的倒装结构沥青路面，由于半刚性基层的整体性及级配碎石的排水和过渡作用，不仅具有良好的整体性能，而且具有整体的软土地基适应性[2]。

国内对倒装结构沥青路面已经有了一些研究。易量[3]对倒装结构沥青路面的级配碎石层厚度进行影响分析；陈东鹏等[4]主要针对倒装结构沥青路面的面层层底拉应变进行分析研究；牛敏强等[5]认为路面结构疲劳开裂寿命验算分两阶段进行并结合实际工程进行寿命测算。但是，对倒装结构沥青路面受力疲劳后的力学特性的研究较少；此外，针对倒装结构沥青路面两阶段受力特性，尚无不同模型间的比较分析与不同因素的影响研究。本文基于沥青材料与无机结合料的疲劳寿命方程，利用数值分析软件对倒装结构疲劳寿命进行分析，为倒装结构沥青路面的研究和质量控制提供基础依据。

1 结构参数与受力特性

1.1 结构与环境参数选取

倒装结构是福建等我国南方省份使用的典型路面结构[6]。各材料层参数取值结合JTGD 50—2017《公路沥青路面设计规范》中推荐的设计参数。见表1。

表1 倒装结构沥青路面各材料层参数

我国沥青路面设计通常采用双圆均布荷载，标准轴载为0.7 MPa，转换为平面后为11 7371 Pa，在数值分析软件中也采用此参数进行计算。

1.2 受力特性

受力状态根据半刚性基层是否失效破坏，呈现明显的两阶段，见图1。

图1 倒装结构沥青路面受力状态

对该结构的疲劳寿命计算可分两阶段。第一阶段主要考虑半刚性基层的疲劳寿命，相对半刚性基层，沥青层产生的疲劳很小，可近似看作不发生疲劳；第二阶段半刚性基层发生破坏，承载力大幅下降，沥青层成为主要承拉层，水稳层破坏后可近似视为级配碎石层，因此设定半刚性基层破坏后回弹模量为700 MPa 进行第二阶段沥青层疲劳寿命计算模拟。计算过程中，将沥青层两阶段的寿命和视为总寿命。

式中：LS——倒装结构总寿命；

Lc——半刚性基层失效时沥青层的寿命衰减，即结构一阶段寿命；

La——沥青层二阶段寿命。

2 疲劳损伤模型与疲劳寿命计算

2.1 基于损伤力学的疲劳损伤研究

车辆荷载作用会使路面材料产生微裂缝、微孔隙等损伤，导致结构承载力下降，一般用疲劳损伤模型表征。损伤模型可以展现路面性能变化的全过程，为道路使用性能的观察提供一定指导。

损伤力学最早起源于1958 年，Kachanov L M[7]将连续度和有效应力概念引入金属材料蠕变损伤来进行模拟分析；之后直到20 世纪70 年代后期，Lemaitre等利用连续介质力学的方法，把损伤因子进一步推广为一种场变量，逐渐形成了连续介质损伤力学学科[8]。损伤力学诞生于金属材料领域，在这方面的研究较早且深入，而将其应用于道路领域的研究则相对较晚，但国内外学者在水泥混凝土和沥青混合料方面也进行了一定程度地研究。

孙志林[9]利用有限元对比分析了Miner 线性损伤模型和Chaboche 非线性损伤模型在沥青路面应用中的适用性并讨论了混合料模量、结构层厚度等参数对损伤场、应力场分布特性的影响，最终得出Chaboche非线性损伤模型更符合路面的实际情况。韦金城[10]修正Chaboche非线性疲劳损伤模型，利用有限元对小梁试件进行力学分析，结果与试验数据有较好的一致性。赖正聪[11]基于不确定模型的概率统计理论建立可靠度疲劳损伤模型并通过试验验证了损伤模型的适用性。苏雅玲等[12]同样借助损伤力学，建立疲劳寿命服从正态分布的可靠度模型，计算可靠度保障率下的损伤变量并与传统力学演化模型结合，判断构件的损伤程度。

目前，国内外损伤力学的研究在水稳碎石和沥青混合料的材料特性较多，而由于路面结构的差异，尚无研究将其整合应用于倒装结构结构寿命计算的。本文针对倒装结构沥青路面，利用数值分析并基于疲劳模型进行寿命计算。

2.2 模型确定与计算

目前，常用的疲劳损伤理论主要是Miner 线性疲劳损伤模型与Chaboche 非线性疲劳损伤模型。由于Chaboche 非线性疲劳损伤模型的损伤积累与有效应力有关，考虑了疲劳损伤发展过程中的材料力学性能劣化，与疲劳试验和实际工程运行情况的结果相似；因此选用Chaboche 非线性模型进行倒装结构沥青路面疲劳行为分析。

式中：D——损伤变量；

N——荷载作用次数；

σ——荷载应力水平；

a*——与荷载有关的材料参数；

p，q——与温度有关的材料参数。

计算过程中，q一般取0，其余参数参照相关研究数据[13～14]进行取值，见表2。

表2 倒装结构沥青路面各材料层参数

计算可知，采用当前结构层参数进行设计，在各层材料与施工满足设计要求的情况下，第一阶段疲劳寿命约为1 000 万当量轴次；二阶段剩余疲劳寿命约为1 000 万当量轴次，结构总疲劳寿命约为2 000 万当量轴次。

3 结构设计参数对疲劳寿命影响分析

为明确各层材料对倒装结构沥青路面疲劳寿命的影响，分别研究沥青上中面层、沥青处治碎石下面层、级配碎石层、半刚性基层及路基对两阶段寿命的影响。

3.1 沥青上中面层对结构影响与优化建议

保持其余结构层参数不变，沥青上中面层模量的增加对于疲劳寿命虽有提升，但效果并不明显。见图2。

图2 沥青上中面层模量对结构疲劳寿命影响

正常模量范围内的沥青面层混合料模量对结构的疲劳影响较小；但高模量沥青混合料的应用能够改善沥青层底部以及半刚性基层的受力状态，主要作用在于控制中上面层的车辙。另外，高模量沥青混合料低温抗裂性差，应因地制宜考虑是否提升模量。

3.2 沥青处治碎石层对结构影响与优化建议

增加沥青处治碎石（ATB）层厚度可以降低半刚性基层层底拉应力，从而提高半刚性基层与沥青层的寿命；ATB 层的厚度主要影响沥青层的寿命。见图3。

图3 沥青处治基层厚度对结构疲劳寿命影响

增加ATB 层模量对结构疲劳寿命的影响并不明显，随着模量的增加，二阶段寿命逐渐减小。见图4。

图4 沥青处治基层模量对结构疲劳寿命影响

ATB 层模量的提高会导致层底拉应力增加，从而使ATB 层处于不利的受力状态，进而影响结构疲劳寿命。

对倒装结构沥青路面而言，增加ATB 层厚度能够明显改善沥青层的受力状态，进而明显改变结构寿命，从而适用于重载交通；但相应的工程造价也会显著提高，在实际工程中应结合工程需要与造价情况进行厚度设计。

3.3 级配碎石层对结构影响与优化建议

级配碎石层厚度的增加，降低半刚性基层底部的拉应力，提高半刚性基层的寿命；但由于沥青层下的结构本就较厚，因此级配碎石层厚度的增加并不能大幅减小沥青层底拉应力，故对于沥青层寿命的影响很小。见图5。

图5 级配碎石层厚度对结构疲劳寿命影响

级配碎石层模量的增加也会提高结构的疲劳寿命。从材料角度看，级配碎石为非线弹性材料，其模量受围压、竖向应力等环境因素影响显著，过厚的级配碎石层并不利于承载力的提高；此外，级配碎石层模量的变化对半刚性基层的寿命影响很小，但其对第二阶段沥青层寿命有显著的影响。见图6。

图6 级配碎石层模量对结构疲劳寿命影响

实际工程中，由于施工工艺的限制，级配碎石的模量有时无法达到实际要求，这就需要完善相应施工工艺，保证压实质量，以提高倒装结构沥青路面的使用寿命。

综上所述，级配碎石厚度对于沥青层寿命的影响很小且厚度的增加还有可能带来压实困难等问题，从而影响上部沥青层的寿命，因此通过调节级配碎石层厚度提高结构寿命并不是理想的措施；而级配碎石层模量提高能够明显降低ATB 层底的拉应变并提升ATB 层的疲劳寿命。因此，应注重控制级配碎石层施工工艺以及施工质量，尽量提升其压实质量，以提高级配碎石层模量，从而有利于改善沥青结构层的疲劳寿命。

3.4 半刚性基层对结构影响与优化建议

半刚性基层厚度对半刚性结构疲劳寿命的影响显著，随厚度增加近乎呈指数型增长；对于结构的第二阶段寿命也有较大程度的提升。见图7。

图7 半刚性基层厚度对结构疲劳寿命影响

由于破坏后的模量假设，半刚性的模量变化只对第一阶段寿命有效。随着半刚性基层模量的增加，一阶段寿命近似线性下降。见图8。

图8 半刚性基层模量对结构疲劳寿命影响

因此，从保障结构疲劳寿命角度，半刚性基层采用低剂量水稳碎石，即低模量材料，对结构受力和结构疲劳寿命是有利的。

综上所述，增加半刚性基层厚度能够显著提升半刚性基层的疲劳寿命。相对增加沥青层厚度或改善级配碎石层模量而言，增加半刚性基层厚度是最有效且最经济的方法。

半刚性基层模量的提高容易导致其层底拉应力增大，使得半刚性基层处于不利受力状态，进而影响半刚性基层疲劳寿命和结构疲劳寿命；因此进行半刚性基层设计时，在保证抗压、抗拉强度等硬性要求基础上，模量尽量控制在JTGD 50—2017 要求的低值以改善层底的受力状态。施工过程中一定要规范管理，控制水灰比，将半刚性基层的模量控制在相应范围内，以防止模量过高导致结构早期破坏。