基于麦路软件的高性能沥青路面力学性能分析

2022-09-13彭红卫孙剑峰吕绍文

广东建材 2022年8期

彭红卫孙剑峰吕绍文

（湖南省交通科学研究院有限公司）

0 引言

沥青路面是一种路用性能优异并被广泛应用的路面类型。随着我国经济和物流持续高速发展，公路交通具有流量大、速度高、轴载重的特征，道路路面若长期处于重载环境下易出现车辙、开裂等路面病害，提前进入大中修养护阶段，给社会经济带来巨大的损失，可见提高沥青路面使用寿命已成为中国道路领域的重要任务[1]。各国高级沥青路面结构材料组成、设计标准及控制指标各有差异[2]，因此高性能沥青路面结构组成各具特色。国内发展历史长、应用面广的半刚性基层沥青路面也开展了长寿命研究[3]，国内学者也进行了多类长寿命沥青路面结构的探索研究[4,5]，并开展了各类耐久性沥青路面结构力学性能研究[6,7]。道路结构设计标准、使用环境、交通环境、维保条件等不尽相同，虽国内外学者多年来开展了广泛深入的研究，修筑了多条试验路段，取得了丰富的研究成果，但整体上并未出现国内外公认的、统一的、标准的长寿命、耐久性高性能沥青路面结构。各高性能沥青路面结构的部分力学响应规律有所研究[8]，但尚未见综合性能分析对比研究。本研究选出了具有代表性的5 种高性能沥青路面结构，前4 种结构均已成功应用于工程实践，结构五为本项目研究并推荐的一种全柔性长寿命沥青路面结构，开展了力学指标、验算指标计算与综合性能分析，希望为更科学选择优质沥青路面结构提供重要参考。

1 路面结构方案

通过对国内外高性能沥青路面结构进行调查，选取了五种代表性高等级沥青路面结构作为研究对象，其中结构一为我国普通高速公路半刚性基层沥青路面典型结构[9]、结构二为山东滨州全厚式长寿命沥青路面试验段结构[5]、结构三为国外耐久性全柔式沥青路面典型结构[10]、结构四为济莱高速全柔性高性能沥青路面试验段结构[11]、结构五为推荐的全柔性长寿命沥青路面结构（FFPAP）[12]。根据《公路沥青路面设计规范（JTG D50-2017）》[13]和相关文献资料确定了各结构的计算参数，具体结果如表1 所示。结构一为我国普通高速公路沥青路面典型结构，路面沥青层厚度、总厚度均最小，为典型半刚性基层沥青路面结构；结构二为山东滨州全厚式长寿命沥青路面试验段结构，路面总厚度最大，沥青层厚度42㎝；结构三为国外耐久性全柔式沥青路面典型结构、结构四为济莱高速全柔性高性能沥青路面试验段结构，两种结构材料类似、沥青层厚度一致，各层厚度组成略有不同，结构三路面沥青层中面层厚于下面层、而结构四反之，且结构三基层厚度高于结构四、总厚度高于结构四；结构五为通过理论分析提出的全柔性长寿命沥青路面结构，面层、基层均为沥青层，沥青层厚度最大73㎝，总厚度居中。

表1 五种典型高性能沥青路面结构方案

2 路面结构Mpave 分析模型

采用麦路（Mpave）软件进行力学分析与模拟计算。Mpave 软件是专门用于沥青路面结构设计和结构验算的标准化商业在线软件，其路面结构计算的荷载是双圆均布垂直荷载，路面结构体系为弹性半空间层状连续体系，与我国现行规范《JTG D50-2017 公路沥青路面设计规范》适配。

研究的沥青路面力学分析指标分别是路表弯沉、竖向位移、竖向压应力、水平拉应变。图1（a)、（b)给出了三维力学模型坐标、力学模型离散网格图。

图1 计算模型及荷载分布图

Mpave 软件支持定义竖向路径、水平路径，且路径对称于坐标原点，计算之后可输出力学云图。相关力学指标主要有UX、UY、UZ、SX、SY、SZ、SXY、EX、EY、EZ、EXY。

计算用的标准轴载为0.7MPa，双圆荷载半径为0.1065m，两轮中心距为0.3195m，层间完全连续。坐标轴X 轴、Y 轴与Z 轴分别对应着路面模型的垂直行车方向、竖直方向、沿行车方向。坐标原点在双圆荷载的中心点，符合《JTG D50-2017 公路沥青路面设计规范》的要求。

3 力学指标计算结果与分析

根据Mpave 软件计算得到五种路面结构的路表弯沉UY（沿X 轴）如图2 所示。从图2 数据分析可知，相同轴载条件下，不同沥青路面结构的路表弯沉UY（沿X轴）分步规律基本一致，但大小不同。结构二即山东滨州全厚式长寿命路面试验段结构的路面刚度最大，推荐的FFPAP 结构的路面刚度次之，从而可以减小路面变形的发生。

得到五种路面结构双圆中心处沿深度的竖向位移UY（沿Y 轴）如图3 所示。从图3 数据分析可知，相同轴载条件下，不同沥青路面结构的深度竖向位移UY（沿Y轴）分布规律基本一致，但大小不同，比较结果与路表弯沉基本相同。

图3 沿深度的竖向位移UY（沿Y 轴）

得到五种路面结构双圆中心处沿深度的竖向压应力SY（沿Y 轴）如图4 所示。由图4 可知，在两圆荷载下，中心点C 的竖向压应力在Y=0 时，结构二压应力，其余结构为拉应力；五种结构的竖向压应力分别在沥青层内达到最大值；五种结构的竖向压应力在基层和底基层内随深度的增加而减小，随着路基深度的增加，压应力值趋近0。整体上，沥青层沿深度的竖向压应力SY（沿Y轴）最大值由小到大顺序为：结构三＝结构四＜结构二＜结构五＜结构一。五种典型沥青路面层最大压应力值整体上差异不大，沥青层材料抗压强度高于抗拉强度，易受拉开裂和进一步压缩产生变形积累。

图4 沿深度的竖向压应力SY 图（沿Y 轴）

得到五种路面结构的沿垂直行车方向的水平拉应变EX（沿Y 轴）如图5 所示。由图5 可知，五种结构在两圆荷载下，中心点C 沿垂直行车方向的水平拉应变在Y=0 时，均为拉应变，随着深度的增加，先减小至0，后变为压应变及拉应变；五种结构均在面层内存在一个最大水平压应力；结构三、结构四沿垂直行车方向的水平拉应变在基层顶和路基顶分别增加到一个极大值，并分别在基层和路基内随着深度的增加而减小，在底基层内随着深度的增加而增大；结构一、结构二和结构五的沿垂直行车方向的水平拉应变在路基顶得到一个最大值，在路基内随深度增加压应力逐渐减小；五种结构沿垂直行车方向的路基顶的水平拉应变较大，且面层内压应变较大的是结构二、结构三和结构四，较小的是结构一与结构五。说明推荐的FFPAP 结构沿垂直行车方向的水平变形小，稳定性高。整体上，沥青层路表沿垂直行车方向的水平拉应变EX（沿Y 轴）由小到大顺序大致为：结构三＜结构四＝结构二＜结构五＜结构一；沥青层内沿垂直行车方向的水平拉应变EX（沿Y 轴）最大值由小到大顺序大致为：结构五＜结构一＜结构四=结构二＜结构三。

图5 沿垂直行车方向的水平拉应变EX 图（沿Y 轴）

4 验算指标计算结果与分析

以湖南省某普通高速公路设计参数为例，具体见表2 所示，分别对五种路面结构进行力学计算与分析，结果见图6 所示。由图6 可知，在同样的高速公路设计参数与交通荷载下，五种结构的验算参数差异明显，区别如下：

图6 五种典型结构验算参数对比图

表2 湖南某高速公路设计输入参数

对于沥青路面路表验收弯沉越小要求越高。结构五明显小于结构一到结构四，结构一、三、四基本一致，结构二略小于结构一、三、四，其中结构五沥青层厚度最大，要求最高。路表验收弯沉由小到大顺序为：结构五＜结构二＜结构三＜结构一＜结构四。

对于沥青层车辙或永久变形越小越好。《JTG D50-2017 公路沥青路面设计规范》中要求高速公路（一级公路）结构设计时，半刚性基层容许永久变形或车辙深度要求≤15mm、其他基层要求≤10mm，其中除了结构一为半刚性基层，满足≤15mm 车辙要求外，结构二到结构五均为柔性基层，不满足≤10mm 车辙要求，其中结构五最大，这也说明JTG D50-2017 规范对于全柔性沥青路面结构永久变形验算指标是不适用的。路表验收弯沉由小到大顺序为：结构一＜结构三＜结构四＜结构二＜结构五。

对于沥青层疲劳寿命越大越好。半刚性基层不要求验算沥青层疲劳寿命，结构二到结构四疲劳寿命基本相当，结构五疲劳寿命明显高于结构二、三、四。沥青层疲劳寿命由小到大顺序为：结构三＜结构二＜结构四＜结构五。

对于沥青层低温开裂指数越低越好。结构一低温开裂指数最高，表明低温抗开裂性能最弱；结构五最低，表明低温抗开裂性能最好。沥青层低温开裂指数由小到大顺序为：结构一＜结构三=结构四＜结构二＜结构五。

综上所述，五种结构验算指标中，综合性能最佳顺序为：结构五＞结构二＞结构三≈结构四＞结构一。

5 综合分析

在同样的交通轴载和设计条件下，综合对路表弯沉、竖向位移、竖向压应力、水平拉应变、路表验收弯沉、沥青层车辙、疲劳开裂寿命、低温开裂指数等八个力学指标计算与分析汇总如表3 所示，各力学指标对应的力学性能由好到差按①②③④⑤排序，其中按①②③④⑤赋值5 分、4 分、3 分、2 分、1 分进行得分计算，综合力学性能由好到差排序为：结构五＞≈结构二＞结构一＞≈结构三＞≈结构四。可见仅考虑力学因素，沥青层厚度足够大的长寿命沥青路面结构五、二的综合力学性能明显优于其它三种高级沥青路面结构，结构二路面总厚度高于结构五49cm，但结构五沥青层厚度高于结构二31cm，表明沥青层厚度大比总厚度大更具优势；我国常用半刚性基层高速公路沥青路面与国内外普通高性能全柔性沥青路面结构三、四综合力学性能相当。