沥青路面结构设计指标优化及合理厚度探究

赵楷文，张洪伟，全蔚闻，马宪永，董泽蛟

(1. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090； 2. 内蒙古自治区交通运输科学发展研究院，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

一直以来，沥青路面的结构设计都是一个受到广泛关注的问题，国内外学者对于路面结构设计指标和结构合理厚度开展了大量研究。研究发现，沥青混合料层底拉应变小于60 με，路基顶面压应变小于200 με，即可保证沥青路面不发生结构性破坏[1]。张艳红等[2]曾利用Bisar3.0软件对半刚性路面、柔性路面、复合路面展开计算，提出了将面层剪应力作为设计指标。国外标准以路基顶面竖向压应变及沥青层层底弯应变这两项指标衡量长寿命路面的设计使用寿命[3-4]。Qian等[5]在沥青混凝土性能测试中，将沥青混合料的抗弯拉变形作为路面低温抗裂能力的衡量指标。庄传仪[6]将路表剪应力及沥青层层底拉应变作为柔性基层路面的结构设计指标，且容许标准依据材料类型确定。

基于结构设计指标，选取合理的路面结构层厚度是延长路面使用寿命及提高路用性能的重要条件。张晓冰等[7]通过路段调查指出，高速公路的基层和底基层厚度通常在50～60 mm。张朝晖[8]基于有限元软件ANSYS分析指出，半刚性基层路面的使用寿命受基层厚度的影响较大，增加基层厚度可有效提高路面整体刚度。郭寅川等[9]探究发现，沥青层拉应力对面层厚度敏感性高。杨国峰等[10]建立了路面性能预测模型，发现路面厚度是路面使用性能的重要影响因素。邹静蓉等[11]通过有限元分析，发现半刚性基层厚度增加，刚度变大，基底应力反而增加。Zhao等[12]通过有限元分析发现，沥青表面的拉伸应变随沥青层厚度的增加而增大。Anderson等[13]发现当沥青层超过一定厚度时，保证施工状态下，路面结构不会产生自底向上的疲劳开裂。实际上，当路面的基层厚度达到一定值时，继续增加厚度，不会显著提高结构性能及寿命[14]。

经过多年发展，我国沥青路面设计规范已更新了7个版本，现有规范体系涵盖了半刚性基层路面、柔性基层路面等大部分结构类型，通过规范可以实现对典型路面结构的合理设计。但是，随着路面结构类型的日益更新，倒装路面、长寿命路面、抗车辙路面等非典型路面结构设计指标的适应性还有待探究，典型路面的合理厚度范围还有待完善。因此，本研究考虑荷载非均布移动特性，针对半刚性基层路面、柔性基层路面、加铺路面3种典型结构，及长寿命路面、倒装结构路面、抗车辙路面3种非典型结构，利用ABAQUS有限元分析软件，建立路面结构力学分析模型，探究每种路面类型所适用的结构设计指标，并针对我国应用最广泛的半刚性基层路面，明确其合理厚度范围，为沥青路面结构的设计和应用提供依据。

1 有限元模型的建立

1.1 结构及材料参数

6种沥青路面结构的厚度及材料参数[15]如表1、表2所示。为对6种路面结构响应进行对比分析，相同的结构材料设置相同参数，模量选取20 ℃下的动态模量。

表1 沥青路面结构Tab.1 Asphalt pavement structures

表2 路面结构材料参数Tab.2 Material parameters of pavement structure

1.2 荷载和边界条件

传统的静力分析无法反映路面结构响应的波动性及正、负交变特性。因此，有必要考虑荷载非均布形式及移动特性，以尽可能反映路面真实受力状况。本研究采用的荷载为单轴双轮组，每个轮胎的平均接地压力如图1所示。图1中每个小矩形荷载纵向长度为0.025 m，其内部数值为接地压力大小，单位为MPa[16]。

图1 非均布接地压力示意图Fig.1 Schematic diagram of non-uniformly distributed contact pressure

有限元模型中，将图1所示的轮胎接地压力模型简化为多个矩形荷载的叠加。假设车辆向x方向移动，如图2和式(1)所示。荷载移动长度为3.2 m，移动速度为25 m/s(高速公路平均行驶速度)，作用总时间为0.128 s。在此基础上，基于有限元软件ABAQUS完成移动荷载DLOAD子程序编写。

图2 荷载移动示意图Fig.2 Schematic diagram of moving load

(1)

式中，PZ为小矩形荷载大小；V为荷载移动速度，25 m/s；t为荷载作用时间；a0为小矩形荷载纵向长度的半值，0.012 5 m；b0为小矩形荷载横向宽度的半值。

基于ABAQUS软件建立路面结构三维有限元模型，以半刚性基层路面结构为例，平面尺寸及有限元模型如图3所示。为减小边界效应，沿行车方向前后各留2.25 m，左右各留2 m。模型底部设置完全固结，四周设置法向固结。为使每个小矩形荷载施加于独立单元上，沿行车方向每隔0.025 m划分单元，每个加载单元的作用时间为0.001 s。为兼顾计算效率和精度，单元类型采用减缩积分单元。

图3 路面结构三维有限元模型Fig.3 Three-dimensional FE model of pavement structure

2 不同类型沥青路面设计指标

现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[17]中的路面设计指标是基于基层及底基层材料类型提出的，忽略了面层结构的影响，非典型路面结构设计指标不明确。为此，本研究建立了非均布移动荷载下6种路面结构的力学模型，根据动力响应规律，分析各指标对每种路面结构的适用性，进一步计算6种路面结构在不同指标下的使用寿命，确定每种路面类型的结构设计指标。

2.1 路面结构瞬态响应分析

2.1.1 疲劳控制指标响应分析

规范[17]采用沥青混合料层层底纵向拉应变及无机结合料层层底纵向拉应力控制路面结构的疲劳破坏，图4为6种结构在上述2种指标下的时程变化曲线。其中，沥青混合料层层底拉应变的最不利位置为单轮荷载中心正下方，无机结合料层层底拉应力的最不利位置为双轮荷载中心正下方。

图4 疲劳控制指标时程Fig.4 Time histories of fatigue control indicators

由图4(a)可看出，倒装结构路面与柔性基层路面的拉应变幅值较大，分别为40.38,39.23 με，原因是这2种路面结构基层均采用柔性材料，沥青混合料层的抗变形及耐疲劳能力弱。因此，应考虑将沥青混合料层层底拉应变作为倒装结构路面及柔性基层路面的结构设计指标。由图4(b)可看出，半刚性基层路面的无机结合料层层底拉应力幅值达112.18 kPa，是其余4种路面结构幅值的1.1～1.4倍，这说明采用刚-柔混合基层或适当增加上层沥青材料厚度，可减小无机结合料层层底的拉应力。无机结合料层疲劳开裂易引起沥青层出现反射裂缝，因此需将无机结合料层层底拉应力作为路面结构的设计指标。而对于倒装结构路面，因其在无机结合料层和沥青混合料层之间设置了级配碎石过渡层，可有效避免反射裂缝的发生，故对于倒装结构路面，无机结合料层层底拉应力可不作为设计指标考虑。

2.1.2 永久变形指标响应分析

规范[17]采用沥青混合料层永久变形量及路基顶面竖向压应变作为路面结构永久变形的控制指标，其中，沥青混合料层永久变形量通过沥青层压应变来体现，图5为6种结构沥青层压应变及路基顶面竖向压应变随深度变化规律。其中，沥青层压应变的最不利位置为轮胎最外侧条带正中心，路基顶面竖向压应变的最不利位置为双轮荷载中心正下方，起始位置为沥青表面。

图5 永久变形随深度变化曲线Fig.5 Curves of permanent deformation varying with depth

由图5(a)可看出，6种路面结构的压应变峰值均大于110 με，因此应考虑将沥青混合料层永久变形量作为上述路面结构的设计指标。由图5(b)可看出，柔性基层路面的路基顶面竖向压应变峰值最大，为88.3 με，这是因为该结构的基层及底基层材料均为柔性级配碎石，结构抗变形能力差。当竖向压应变的值处于0～400 με的范围内时，路基处于一个可回弹的状态[18]，因此，路基顶面竖向压应变可不作为设计指标考虑。

2.2 路面结构设计指标确定

以《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)的结构验算理论[17]为依据，计算路面结构在静态双圆均布荷载及移动非均布荷载下的使用寿命，结果如表3所示。静态双圆均布荷载作用下的路面使用寿命为移动非均布荷载作用下的0.7～0.9倍，这表明采用静态双圆均布荷载计算所得的路面使用寿命较真实值偏小，会导致路面厚度产生不必要的增加，故在路面力学分析中应考虑荷载的非均布移动特性。

表3 路面结构使用寿命Tab.3 Service life of pavement structure

当路面使用寿命达到某一指标的使用寿命上限时，路面结构将无法满足路用性能要求，因此根据移动非均布荷载下沥青路面结构使用寿命，选取使用寿命计算值较小的2个力学指标作为该路面结构的设计指标，具体如表4所示。与规范相比，表4依据路面结构类型明确给出了适用性结构设计指标，提出了将无机结合料层层底拉应力、沥青混合料层永久变形量作为长寿命路面、抗车辙路面结构的设计指标，将沥青混合料层层底拉应变、沥青混合料层永久变形量作为倒装路面结构的设计指标。

表4 路面结构设计指标Tab.4 Design indicators of pavement structure

3 半刚性基层路面合理厚度范围的确定

现行沥青路面结构厚度设计方法为，首先大致确定厚度，然后进行验算调整，直至满足验算要求，该方法增加了路面厚度设计难度。因此，本研究针对我国应用最广泛的半刚性基层路面，改变面层和基层厚度，计算不同结构厚度下的路面使用寿命，并分析结构厚度改变对使用寿命的影响，最终确定满足验算要求的半刚性基层路面的合理厚度范围，以提高设计效率。

3.1 沥青混合料面层厚度影响

控制基层厚度不变，改变沥青混合料面层厚度，分析其对路面使用寿命影响规律，如图6所示。

由图6可知，当基层厚度小于250 mm时，随沥青面层厚度的增加，路面结构使用寿命先增大后减小。这是由于当基层厚度小于250 mm，面层厚度小于150 mm时，路面使用寿命控制指标为无机结合料层层底拉应力，增加面层厚度可有效减小基层层底拉应力；当面层厚度大于200 mm时，控制指标为沥青混合料层永久变形量，继续增加面层厚度，会降低路面使用寿命，更易引发路面永久变形病害。

图6 不同基层厚度下累计轴次变化曲线Fig.6 Curves of cumulative axles with different base course thicknesses

3.2 无机结合料基层厚度影响

控制面层厚度不变，改变无机结合料基层厚度，分析其对路面使用寿命的影响规律，如图7所示。

图7 不同面层厚度下累计轴次变化曲线Fig.7 Curves of cumulative axles with different surface course thicknesses

由图7可看出，当面层厚度小于190 mm时，随半刚性基层厚度增加，路面结构使用寿命先增大后不变。这是因为，当面层厚度小于190 mm，基层厚度小于200 mm时，路面使用寿命控制指标为无机结合料层层底拉应力，增加基层厚度可减小该值；当基层厚度大于300 mm时，控制指标为沥青混合料层永久变形量，增加基层厚度对路面使用寿命无影响。

3.3 路面合理厚度范围确定

基于上述分析，根据不同结构厚度下的半刚性基层路面的使用寿命计算值，以累计轴次为厚度区间划分依据，对路面进行合理厚度范围的确定，具体如表5所示。在进行半刚性基层路面结构设计时，基于设计车道设计年限的累计轴次，可直接依据表5选取合理的结构层厚度，即可保证设计厚度满足验算要求。

表5 半刚性基层路面合理厚度Tab.5 Reasonable thickness of semi-rigid base pavement

4 结论

本研究重点分析移动非均布荷载下路面结构设计指标及半刚性基层路面合理厚度范围，建立沥青路面动力分析三维有限元模型，进行数值模拟分析，依据力学响应结果及路面使用寿命，得到以下结论：

(1)针对本研究中6种路面结构，可不将路基顶面竖向压应变作为设计指标。长寿命路面、抗车辙路面结构的设计指标为无机结合料层层底拉应力、沥青混合料层永久变形量。倒装路面结构的设计指标为沥青混合料层层底拉应变、沥青混合料层永久变形量。路面类型对设计指标的适用性影响较大，设计指标应依据路面类型进行选取。

(2)传统静态双圆均布荷载下路面使用寿命计算值为移动非均布荷载下的0.7～0.9倍，荷载形式对路面结构使用寿命的影响是不可忽略的，在路面力学分析中应考虑荷载的非均布移动特性。

(3)针对半刚性基层路面，基层厚度小于250 mm 时，随沥青面层厚度的增加，路面使用寿命先增大后减小，控制指标由无机结合料层层底拉应力变为沥青混合料层永久变形量。面层厚度大于200 mm时，路面使用寿命控制指标为沥青混合料层永久变形量，增加基层厚度对路面使用寿命无影响，而增加面层厚度则会降低路面使用寿命。