高模量沥青混凝土路面力学性能分析

蒋星川

（招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400000）

沥青路面遭受车辙破坏的问题由来已久，针对该问题众多道路交通专业学者都曾提出相关解决方案。国外学者为缓解沥青混凝土路面产生车辙，提出了一种新的沥青混凝土材料理念——高模量沥青混凝土（HMAC），这种材料主要的作用原理是通过提高路面模量，从而提高路面的抗车辙能力。经过多年的研究表明，该材料具有良好的抗车辙能力，在道路建设方面受到关注。国内路面相关的结构研究相对落后，所以，有必要对HMAC材料的路用性能进行力学响应分析，对比其与普通沥青混凝土的差异，更好地了解该新型材料的路用特性。

本文主要运用计算机软件模拟技术对HMAC路面进行建模，通过生成的模型对不同荷载作用、不同车速、不同温度等外界因素影响下的路面结构力学响应数据进行分析，然后将HMAC路面计算得出的数据与普通沥青混凝土的计算数据进行对比，分析该新型材料在提升路面抗车辙能力上的具体表现。依据这些数据分析结果，可以更加深入地了解沥青路面的车辙形成过程，为今后的道路路面建设提供新的设计方案和依据。

1 HMAC路面模型的建立

1.1 路面结构设计

在进行路面结构设计的过程中，除考虑路面的实际行车需求外，还要考虑道路工程项目所在地的气候、地质、水文等条件，在此基础上设计适宜的路面结构、选择所需的路面结构材料，并结合实际施工环境，在现有的材料基础上选择最适用的工程材料进行方案设计。依据道路使用中预测的车辆荷载、弯沉指数和半刚性基层所需承受的拉应力推算出设计路面的厚度，结合该计算结构计算路面面层上可能产生的最大剪应力，根据计算结构和基层的实际特性进行路面结构设计。在该研究中利用ABAQUS软件对路面结构进行建模。为了尽量缩小路面模型计算得到的数据和真实路面测得数据之间的误差，还要对路面模型做出相应的一些假设，如沥青面层采用粘弹性理论；路面结构层之间是连续、均匀、各向同性的；路面响应计算时不考虑路面自身重力和路面横、纵坡的影响。在此假设下，设计的路面结构与传统路面结构并无太大差异，只是将路面结构中的中面层材料换为HMAC材料，因为中面层承受来自路面的荷载作用，并将其传递到基层和下面层，起到承上启下的作用，所以，将该高模量沥青混凝土材料应用于中面层能够起到很好的承受荷载并缓解基层压力的作用，从而保护基层不受剪切破坏，就此而言，将该材料应用于中面层是一个适宜的实验方案。

1.2 移动荷载的分布及施压

在建立的路面模型中，为了较好地反映车辆在道路中行驶时的荷载移动情况，在该研究中假设车辆轮载与路面等效接触面积为0.213m×0.157m；为了方便计算，在此处将模型受力分布简化为垂直均布矩形分布。因为车辆在行驶时汽车两侧车轮是对称情况，且在行驶过程中两侧车轮的相互影响较小，所以，在模型计算中对该因素的影响忽略不计，只需要计算车辆单侧的车轮数据。

1.3 几何模型的建立

在建立路面模型时，为了减少计算过程和确保计算的准确性，选择建立一个长8m、宽6m、厚3m的路面模型。而为了提高有限元计算结果的准确性，要对路面结构形式进行合理的网格划分，同时，由于行车荷载作用在模型的移动带上，所以，在对路面结构进行网格划分时采用三维六面体八结点线性减缩积分等参单元，通过该方法建立的网格模型方可使移动带随着路面结构层自上向下网格细化分布，能够较为真实地反映车辆荷载在路面结构层的作用和影响。

将模型的计算结果与参考文献中的模型进行对比，发现两种模型的应力曲线变化基本一致，经过验证后可知该模型的计算结果具备一定可靠性，计算数据可以用于进一步研究分析。

2 移动荷载作用下HMAC路面分析

当路面上行驶的车流量较大时，车辆荷载对于路面的作用是在短时间内反复施加的，而这种荷载的反复作用对于产生路面车辙有着极为重大的影响，所以，研究车辆移动荷载对于产生车辙的影响和研究沥青路面车辙病害有着重要的意义。可以在之前建立的路面模型中设置移动荷载作用下的HMAC路面模型，分析车辆的轴重、速度等因素对路面结构的影响，然后再将HMAC路面模型计算出的数据参数与普通沥青混凝土路面进行对比，从而分析高模量沥青混凝土在抗车辙破坏时的材料特性。

2.1 基于有限元的HMAC路面模型分析

在此前建立的模型基础上建立路面结构应力场模型，并选取标准轴载BZZ-100，车辆荷载0.7MPa，车速60km/h，车辆两侧车轮中心距0.293m，由于在此前的模型中为了方便计算将荷载设定为矩形均布荷载。

根据路面结构的受力特点和有限元分析理论方法对所选取的A、B、C三点上的HMAC路面进行动响应分析。通过软件模拟可以得到路面结构的动响应分析结果，在这些点中选取力学响应值最大的点，将这些值输入软件后会生成一个路面的动响应云图，再根据动响应云图选取力学响应值最大的点，在这些选取的点中对所需的位移和应力值进行取值，并对所选取的数值进行分析和对比，通过该方法可以很好地反映HMAC路面各结构层在移动荷载下的力学响应，对路面模型的响应结果进行分析能够得到该路面在荷载作用下各结构层的受力变形特征，从而了解HMAC路面抵抗车辙的性能。

2.2 不同车速对HMAC路面的影响

不同车速对路面的作用力效果不同，在车速不同时，路面的受力变形情况也有所区别，分析不同车速下路面结构的受力变形情况，对于研究沥青路面在车辆荷载作用下车辙变形的情况是十分必要的，因此，在上述所建立的路面模型中保持车辆轴载不变，将车速分别设置为30km/h、60km/h、90km/h。通过模型计算，得到的计算结果见表1。

表1 不同车速下HAMC路面动响应对比

由数据分析可知，在路面所受轴载不变、车速增大时，HMAC路面结构层的各项参数值都会相应地减小。由此可见，提高车速对减小路面的剪应变能够起到一定作用。同时，车辆荷载作用下路面的竖向位移也随着车速的提高而降低，但降幅较小，只降低了0.009m，所以，车速对于行车荷载对路面结构所造成的竖向位移影响较小，这是因为提高车速会减少车辆在路面上通过某一路段的时间，从而降低车辆荷载对路面的动响应值，减少车辆荷载作用对路面的损坏。

2.3 不同轴载对HMAC 路面的影响

从目前的调查研究可知，车辆的重载和超载是沥青路面形成车辙等损坏的重要原因之一，所以，分析不同轴载对路面结构的力学响应对于了解路面车辙的产生具有重要意义。在此将车速设置为60km/h，路面加压力分别为0.7MPa、1.0MPa、1.4MPa、1.8MPa，其计算比对结果见表2。

表2 不同轴载下HAMC路面动力响应数据对比

当车速为60km/h，车辆荷载不断增加时，路面结构层中各项参数均显著增大；当车辆荷载由0.7MPa增加到1.4MPa时，表2中的各计算参数绝对值最小增加了90%，最大增加了140%；当荷载由1.4MPa继续增加至1.8MPa时，各计算参数绝对值增加了26%～32%。由以上分析可知，当轴载增大时，路面结构层中的剪应变、剪应力也显著增大，会导致路面产生不均匀沉降，从而造成车辙等路面损坏。由此可见，治理超载对于保护路面结构免受破坏具有重要意义。

3 HMAC路面与普通沥青混凝土路面变形对比

在将HMAC路面和普通沥青路面的抗车辙性能进行对比时，建模方式与上述HMAC路面的建模方式相同，其中不同的地方是将中面层的高模量沥青混凝土材料换为普通沥青材料AC-20。

从该模型的计算中可以得到普通沥青混凝土面层的相对最大车辙值，再与HMAC路面的相对最大车辙值进行对比分析。两种路面计算结果见表3。

表3 沥青面层各结构研究点变形值

通过表3数据分析可知，普通沥青混凝土路面模型中计算出的各结构层变形值都高于HMAC路面。由此可见，HMAC材料可以有效降低路面各结构层的相对最大变形量，对提高沥青路面抗车辙能力效果显著。如果高等级的沥青路面中能够大面积使用该材料，将大大降低沥青路面出现前期车辙病害的时间和概率，对延长道路的使用寿命具有积极作用。

4 结语

本文通过对高模量沥青混凝土路面进行计算机建模，由计算结果分析沥青路面车辙的力学响应，得出以下相关结论：

相比于普通沥青混凝土路面而言，高模量沥青混凝土（HMAC）路面具有较好的抗车辙能力，当在路面上施加不同的荷载时，两种路面的力学响应趋势与荷载的增大趋势基本一致，但经过对比分析发现，HMAC路面的应变变形程度是明显小于普通沥青混凝土路面的。除此之外，HMAC路面各结构层在受到外界荷载作用下的蠕变变形要小于普通沥青混凝土路面，且普通混凝土路面形成车辙的速度要明显大于HMAC路面。虽然，高模量沥青材料对抗车辙能够起到一定效果，但抗车辙效用的高低取决于是否合理、科学地使用该材料。通过分析计算可以得知，HMAC材料应用于路面结构的中面层，厚度在6～8cm最为适宜。

此外，本文是在计算机建立的模型上进行计算分析，有许多实际因素无法被计算在模型范围内，如在进行路面荷载作用下的力学响应分析时没有考虑路面的不平整度对响应结果的影响；在温度场的模拟中没有考虑热量传递在各结构层对温度的累积效果。所以，在以后的研究中希望可以完善该分析方法的不足，改进分析理论和模型，在更加完善的理论和模型支持下对抗车辙混凝土材料进行进一步研究分析，以此求得更加接近实际使用情况的实验模拟数据，为抗车辙沥青材料的推广和应用提供更加科学的理论依据和指导。