高速公路高模量沥青混凝土面层施工技术探究

傅爱蓉

（江西赣东路桥建设集团有限公司,江西 抚州 344000）

0 引言

我国疆土辽阔，资源丰富，不同地域自然气候和水文地质各不相同，我国北方地区由于交通量较大且年温度变化幅度较大，导致沥青路面出现不同程度的破坏，而高模量沥青混合料具有较好路用性能，可以有效增强路面强度和承载能力，延长道路使用年限[1]。因此，该文通过ABAQUS有限元软件分析沥青混合料模量为6 000 MPa、7 000 MPa、8 000 MPa、9 000 MPa、10 000 MPa时，对层底等效应力、最大主应力及最大剪应力响应进行研究，确定最佳沥青混合料模量，并分析高速公路高模量沥青路面施工工艺，对高模量沥青路面层施工工艺研究和推广具有重要意义[1]。

1 工程概况

某高速公路位于平原地段，对该路段调查发现当地交通量较大且存在较多重载货车通行，对当地水文地质调查发现，项目路段现场昼夜温差较大，夏季一天温差超过20 ℃，且雨季时降雨量较大。为保证项目路段具有较好的路用性能，因此采用高模量沥青混合料进行施工，沥青混合料模量过高时，不会再继续延缓路面裂缝产生，只会增加施工成本。

2 高模量沥青混合料面层应力分析

2.1 有限元建模

沥青模量不足时，会导致沥青面层出现裂缝等病害，沥青混合料模量过大时，会造成施工成本过大。为确定沥青路面最佳模量[2]，该文采用ABAQUS有限元软件进行应力分析。

2.1.1 模型尺寸与网格划分

为更好地模拟高模量沥青路面，该文采用沥青混合料面层长度2 m、宽度1.5 m、厚度为12 cm，水泥稳定碎石基层长度2 m、宽度1.5 m、厚度22 cm，级配碎石底基层长度2 m、宽度1.5 m、厚度18 cm。参照沥青路面设计规范，确定面层各基层宽度、厚度及弹性模量、泊松比等参数，如表1所示。

表1 沥青路面材料参数

采用有限元软件对模型结构进行网格化加密处理。网格划分过粗，可能会导致计算精度达不到要求，网格划分过密，会加大工作量。因此，须根据研究需要，合理地进行网格划分。道路中间施加车辆荷载位置处网格数量较密，道路两边较粗，最终网格划分结果为高模量沥青层结构划分7 500个网格，水泥稳定碎石基层和级配碎石底基层9 500个网格，有限元计算模型及网格划分如图1所示。

图1 沥青路面结构模型图

2.1.2 荷载与边界条件

行车荷载根据《公路沥青路面规范》（JTG D50—2017）要求，轮胎内压为0.7 MPa，转换公式如下所示：

式中，L——行车方向矩形长度；A——车轮与路面接触面积，单轴双轮矩形荷载作用区域图如图2所示。

图2 单轴双轮矩形荷载作用区域图

沥青路面结构模型边界条件为：底基层正下方边界条件设置为完全固定：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，底基层及沥青面层四周边界条件设置为完全固定：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。沥青路面结构荷载及边界条件图如图3所示。

图3 沥青路面结构荷载及边界条件图

2.2 面层模量对层底应力响应分析

为研究不同沥青混合料模量对沥青面层层底应力响应，该文采用有限元软件模拟沥青路面结构，设置沥青混合料模量为6 000 MPa、7 000 MPa、8 000 MPa、9 000 MPa、10 000 MPa，并计算沥青面层层底等效应力σe、最大主应力σ1及最大剪应力τmax，沥青混合料模量为6 000 MPa时层底等效应力、最大主应力及最大剪应力如图4～6所示。

图4 层底等效应力应力云图

图5 层底最大剪应力应力云图

图6 层底最大剪应力应力云图

为研究沥青混合料面层层底三大应力之间的关系，设置分析步时间为1 s，三大应力与时间的关系如图7所示。

由图7可知，沥青路面结构施加荷载在1 s分析步时间内，三大应力随时间增加逐渐增大，在1 s时等效应力达到最大值0.47 MPa，最大主应力达到最大值0.31 MPa，最大剪应力达到最大值0.51 a，不难看出1 s分析步时间内，最大剪应力高于最大主应力高于等效应力。

图7 三大应力与时间关系图

为研究沥青层模量对层底应力响应，沥青层模量从6 000 MPa增加到10 000 MPa时，沥青层层底三大应力有限元模拟结果如表2所示，沥青层模量与应力关系如图8所示。

表2 沥青路面结构模拟结果表

图8 沥青层模量与应力关系图

由图8可知，沥青层层底三大应力随着沥青层模量值的增加逐渐减小，最大主应力减小率分别为6.45%、10.34%、3.85%、8.00%，最大主应力减小率变化幅度差异性较大。对沥青层模量与层底最大主应力进行线性拟合分析可得：y=-0.021x+0.533、R²=0.958 7，两者呈线性变化趋势。

等效应力减小率分别为2.13%、4.45%、2.33%、4.88%，由此可知，沥青层模量变化对等效应力变化幅度影响较小，说明高模量沥青面层具有较好的强度，施加车辆荷载，层底应力值不会大于材料的屈服应力值，面层不会发生横向开裂等病害。对沥青层模量与层底等效应力进行线性拟合分析可得：y=-0.015x+0.487、R²=0.986 8，两者呈线性变化趋势。

最大剪应力减小率分别为3.92%、2.04%、8.33%、2.21%，由此可知，沥青层模量从9 000 MPa增加到10 000 MPa时，最大剪应力变化较小。这是因为沥青层模量增加不会延缓应力从基层扩散到面层，竖向应力变化较小再增加沥青层模量只会增加施工成本。因此结合沥青层模量与层底应力响应可知，该项目工程高模量沥青混凝土面层最佳模量为9 000 MPa。

3 施工工艺

3.1 施工前准备工作

高速公路高模量沥青混凝土面层施工前需要进行清扫工作，保证工作面无多余杂质，为确保项目施工过程中施工人员的安全，需要提前对施工路段进行封闭。工程施工前还需提前检查机械设备，保证机械设备无损坏，有损坏需要及时更换，仪器使用过程中不得出现问题[3]。

该项目工程高模量沥青混凝土面层通过ABAQUS确定最佳模量为9 000 MPa，还需要在实验室内制备高模量沥青混合料马歇尔试件，对其性能进行试验检测，检测结果满足要求才能投入工程使用。

3.2 拌和与运输

高模量沥青混合料面层材料需要满足且由于规范要求，对沥青、集料和矿粉等原材料进行检测，满足要求才能投入使用。该项目工程沥青采用80号基质沥青，集料采用玄武岩，油石比为5.5%。厂拌沥青混合料在搅拌仓内温度不得高于180 ℃、不得低于150 ℃[3]。

运输过程中做好保温工作，运输车内温度不得低于140 ℃，运输车驾驶时控制驾驶速度，防止车辆行驶过程中出现急转弯等问题。

3.3 摊铺与压实

摊铺过程中摊铺机运行速度控制在3 km/h，不得出现中途停车、掉头等情况，应保证沥青混合料摊铺均匀[4]。

高模量沥青混合料压实施工时，为保证沥青混合料强度与压实度满足要求，初压遍数为2～3遍为佳，复压遍数为4～6遍为佳，终压遍数为2～4遍为佳[4]。

4 结语

为提高高速公路沥青路面使用性能和使用年限，该工程采用高模量沥青混合料作为面层，通过有限元软件模拟不同沥青混合料模量对层底力学响应，并结合实际沥青路面施工，得到如下结论：

（1）沥青混合料模量从6 000 MPa增加到10 000 MPa，沥青层层底应力逐渐减小。

（2）通过ABAQUS分析最佳沥青混合料模量为9 000 MPa。

（3）高模量沥青混合料路面施工后，具有良好的施工质量。