应用于沥青路面维修的半柔性功能组合层结构合理性分析

2022-06-07姚新宇朱云升

公路工程 2022年2期

姚新宇，刘宇，朱云升，易强

(1.广西交投科技有限公司，广西南宁 530001;2.广西高速公路养护工程技术研究中心，广西南宁 530001;3.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)

1 概述

随着国家高速公路建设高潮的减退，高速公路养护逐渐成为工程技术人员的关注重点。目前已有大量高速公路沥青路面达到或接近设计使用寿命，而该路面中除了部分破损严重需大修外，大部分路面主要病害为抗滑衰减严重与车辙，此外在大交通量路段也同样容易发生该类病害[1-2]。在传统的路面养护维修方式中，处治这类问题时往往只会铣刨沥青路面上、中面层并重新加铺恢复原有结构，由于多数路段实际交通量远大于设计交通量，其修复后使用寿命远低于预期，其效果并不理想。

抵御路面车辙和抗滑衰减等常见路面病害，进一步提高路面使用寿命，是目前工程技术人员和学者的重点研究方向。 ZAREI[3]、SABOO[4]、赵国强[5]等在半柔性沥青混合料制备、路用性能提升等进行了研究，证实了其材料制备可行性及对稳定度与耐久性的提升。杨平[6]、彭刚[7]等对水泥注浆沥青混合料半柔性路面施工工艺进行了探索，验证了其可行性。姚新宇[8]等对高温重载下沥青路面不同层位集料变异进行了研究，证实了中面层在抵抗车辙上的重要作用。本文通过提出半柔性高模量沥青混合料用于中面层提升抗车辙能力，加铺超薄磨耗层提升路面抗滑与耐久性，综合提升养护维修后路面使用寿命，并分析其应力分布特征，对比验证结构合理性。通过材料与结构优化研究对提升路面养护工程质量具有重要意义。

2 结构与材料参数

2.1 路面结构

计算所采用的原路面结构根据广西湿热地区某典型高速公路路面拟定，将原路面结构上中面层铣刨后加铺半柔性中面层与超薄抗滑磨耗层作为拟定新路面结构，如表1所示。采用有限元软件ANSYS单元SOLID45进行离散处理，同时立方体4个侧面的水平方向位移均约束，但允许垂直方向的位移,以及任意方向自由转动，立方体底部进行完全约束，立方体上表面为自由面。因各沥青结构层之间的接触条件是良好的，采用GLUE黏结和下层建立联系；水稳层与就下面层采用CANTA173接触单元，根据有关研究成果可知，沥青面层与半刚性基层之间的摩擦系数为0.399～0.829[9]，考虑所计算路段旧路下面层已与基层具有良好的黏结状态，因此文中摩擦系数取值为0.82。

表1 铣刨上中面层恢复原结构与加铺新结构对比表Table 1 Comparison between restoring the original upper middle layer and adding the new structure layer by milling原路面结构新路面结构层位厚度/cm类型层位厚度/cm类型上面层4AC-13C上面层2AC-8C中面层6AC-20C中面层8OGFC-20+灌注聚合物改性水泥浆下面层8AC-25C下面层8AC-25C基层40水泥稳定碎石基层40水泥稳定碎石垫层20级配碎石垫层20级配碎石

2.2 车辆荷载

用有限元进行计算分析时，轮胎的接地形状采用矩形，根据轴重的不同，轮宽范围取22～24 cm，轮高取19.8～30.9 cm，轮胎的接地压力用 Ikeda 给出的经验关系式得到[10]，对于不同轴载条件下的轮宽、轮高和胎压如表2所示。

2.3 材料参数

沥青混合料是一种黏弹性材料，具有较强的高温敏感性，强度和模量都随着温度的升高而有明显的降低。以广西湿热地区年有效平均气温26 ℃为例，计算沥青路面各亚层内平均温度[11]。根据《沥青路面强度变化规律及养护》[12]中的公式，计

表2 轴载与轮压关系表Table 2 Material parameters and thickness of each layer轴重P/kN轮重P′/kNpi/MPap/MPa单轮轮宽a/cm单轮印高b/cm超载率/%100500.750.57422.019.8标准轴载160800.90.74224.222.5超载602001001.00.85824.324.5超载1002401201.050.95224.426.3超载1403001501.621.62324.530.9超载200

算高温条件下沥青结构层模量。由于半柔性沥青混合料与普通沥青混合料在温度影响下的模量变化不同，因此采用实测30 ℃、40 ℃下混合料弹性模量并线性内插求值。其结构层参数如表3所示。

表3 各层材料参数与厚度Table 3 Material parameters and thickness of each layer层位厚度/cm各层平均修正温度/℃20 ℃弹性模量E/MPa温度修正弹性模量E/MPa泊松比υ上面层442.31 2006150.25中面层638.61 5008580.25原结构下面层836.21 3007970.25水稳基层40—2 5002 5000.2碎石垫层20—4004000.25土基— —50500.35上面层245.11 1005180.25中面层838.62 1162 0320.22新结构下面层836.21 3007970.25水稳基层40—2 5002 5000.2碎石垫层20—4004000.25土基— —50500.35

3 路面结构力学分析

3.1 不同轴载下压应力

通过ANSYS计算在20 ℃恒定温度条件下，原结构与新结构标准轴载分别超载40%、100%、160%、200%下的压应力。截取轮下横向节点压应力，选取应力最大节点，并截取该节点垂直向沥青路面不同深度压应力。经计算，新结构在路面深度下的压应力降幅比原结构大，主要是因为半柔性中面层模量较大提高了路面层结构整体刚度，如图1所示。

通过对比不同深度下新结构与原结构压应力变化(如图2)可知：在不同轴载下，在路面深度下9 cm左右，其压应力出现差值的峰值，相比原结构压应力分别降低2.7%、2.6%、2.3%、2.3%和2.0%。且压应力衰减较快的深度区域集中在路面下2～10 cm。因此有半柔性结构层的新结构在一定程度上分担了其他面层的压应力，且该层刚度较大，此结构层相比铣刨恢复的原结构层更能有效抵御超载下路面发生的压密型变形。

图1 不同轴载下路面压应力分布Figure 1 Pavement compressive stress distribution under different coaxial loads

图2 新结构与原结构压应力差值Figure 2 Compressive stress difference between the new structure and the original structure

3.2 不同轴载下剪应力(变)

通过ANSYS计算在20 ℃恒定温度条件下，原结构与新结构标准轴载分别超载40%、100%、160%、200%下的剪应力(变)。截取轮下横向节点剪应力(变)，选取应力最大节点，并截取该节点垂直向沥青路面不同深度剪应力(变)。经计算，新结构与原结构在不同轴载下剪应力峰值均在路面深度5 cm处，如图3、图4所示。不同轴载下原结构上面层剪应力最大值占峰值比例分别为98.0%、98.4%、97.5%、97.5%、97.0%。不同轴载下新结构上面层剪应力最大值占峰值比例分别为75.6%、78.1%、76.8%、76.5%、75.5%；不同轴载下原结构下面层剪应力最大值占峰值比例分别为75.9%、78.0%、82.4%、82.4%、85.8%。不同轴载下新结构下面层剪应力最大值占峰值比例分别为69.0%、70.7%、74.8%、74.8，77.9%。数据对比可知新结构2 cm+8 cm+6 cm，其中半柔性中面层发挥了更大的抵御剪切破坏作用。

图3 原结构不同轴载下剪应力分布Figure 3 Shear stress distribution of original structure under different coaxial load

图4 新结构不同轴载下剪应力分布Figure 4 Shear stress distribution of the new structure under different coaxial loads

通过对比原结构与新结构不同深度下剪应力(变)差值变化如图5、图6所示。根据图5可知，新结构与原结构在剪应力分布上有较大变化。其中新结构剪应力峰值大于原结构，且在中层承担了更大剪应力，从而分担了上、下面层的剪应力负担。

图5 不同轴载下新结构与原结构剪应力差值Figure 5 Shear stress difference between the new structure and the original structure under different coaxial loads

图6 不同轴载下新结构与原结构剪应变差值Figure 6 Shear strain difference between the new structure and the original structure under different coaxial loads

不同轴载下，新结构相比原结构上面层剪应力最大值分别降低9.5%、10.9%、10.8%、10.8%和10.7%。中面层增长8.3%、8.4%、8.7%、8.7%和8.9%。下面层降低2.7%、2.6%、2.3%、2.4%和1.9%。在剪应变影响上，由于新结构整体刚度的提高，新结构上剪应变均降低，如图6所示。

3.3 高温超载下剪应力(变)

高温条件下沥青混合料弹性模量会发生较大变化，而对大孔隙沥青混合料注入改性水泥浆体形成的半柔性混合料则具有较低的温度敏感性。在高温超载条件下，新结构与原结构的剪应力差值如图7所示。新结构与原结构在剪应力分布上有较大变化；在高温超载下，新结构相比原结构上面层剪应力最大值分别降低25.4%、27.4%、27.1%。中面层增长20.0%、20.8%、21.1%。下面层降低8.2%、5.7%、4.7%。

图7 高温超载下新结构与原结构剪应力差值Figure 7 Shear stress difference between the new structure and the original structure under high temperature overload

在剪应变影响上，由于新结构整体刚度的提高，新结构上剪应变均降低，如图8、图9所示。在高温不同超载情况下，原结构层深度内剪应变变化幅度(应变最大值与最小值差)分别为3.22×10-4、4.11×10-4、7.42×10-4。新结构剪应变变化幅度为1.23×10-4、1.90×10-4、4.02×10-4。因此新结构在结构层深度内剪切应变幅度大幅减小，其结构变形的协调性更优异。