基于结构层模量衰减的半刚性沥青路面力学分析

王圣棋

摘要 考虑路面结构层模量随着半刚性沥青路面服役时间的增加而持续衰减的特性，文章采用有限元数值分析方法，建立半刚性沥青路面三维有限元模型，研究沥青路面面层模量衰减、基层与底基层模量衰减、路面结构层模量整体衰减对沥青路面结构力学响应的影响。结果表明，路面结构整体衰减对路表弯沉的影响最大，其次是基层与底基层模量的衰减，路基的衰减对路表的弯沉影响最小。

关键词 半刚性沥青路面；模量衰减；有限元分析；力学响应

中图分类号 U416.217文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0140-03

0 引言

从结构形式上看，我国主要路面结构形式为半刚性基层沥青路面，占比超过了95%。半刚性基层沥青路面受车辆和环境的影响，结构层模量逐渐衰减，然而在我国沥青路面养护设计规范中关于半刚性沥青路面结构层验算，依旧采用初始设计值充当整个半刚性沥青路面寿命周期的模量，未考虑基层模量衰减的实际情况[1-3]，导致半刚性基层沥青路面结构验算不能为后期路面大中修养护提供理论参考和依据。为此，国内外学者对半刚性基层沥青路面模量的衰减如何影响沥青路面的力学性能作了大量研究。

南非采用分阶段衰减的思路进行半刚性基层沥青路面设计[4-5]，马林[6]等针对超长服役的半刚性基层模量衰减进行了研究，但没有考虑面层模量也会随着路面服役年限的增加而逐渐衰减；王建章[7]等通过采用Abaqus有限元软件对半刚性基层受力状况进行了分析，并考虑基层模量的衰减对路面结构力学响应的影响，建立了一种评价半刚性基层结构损伤程度的方法；曹丹丹[8]等采用反演的方法对移动荷载作用下的路面力学响应进行了分析，证明了以弯沉盆反演得到各个结构层模量的变化可以描述沥青路面结构层性能的衰减。

采用有限元数值分析方法，建立半刚性沥青路面三维有限元模型，研究沥青路面面层模量衰减、基层与底基层模量衰减、路面结构层模量整体衰减对沥青路面结构力学响应的影响，以期为服役末期的半刚性沥青路面进行大中修养护提供理论参考和依据。

1 路面模量取值

对路面结构强度进行检测时，常采用落锤式弯沉仪（Falling Weight Deflectometer，FWD）测出路表弯沉10。采用Abaqus有限元软件进行仿真分析时，宜将路面结构层模量设置成动态模量，并参考《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）规定的取值范围，路面结构层初始取值如表1所示。

2 数值模拟

2.1 有限元模型的建立

采用Abaqus有限元软件建立尺寸为6 m×5 m×3 m的路面三维数值模型。路面模型分为四层结构，从上至下依次为 18 cm沥青面层、36 cm水泥稳定碎石基层、18 cm水泥稳定碎石底基层、路基。如图1所示。对模型采用不等间距划分网格，从四周逐渐向中心位置区域加密，尺寸由0.15 m到0.03 m，荷载施加区的网格密度设置为0.03 m×0.03 m，如图2所示。

2.2 施加荷载

在模型路表中心施加7t-FWD，模拟标准轴载BZZ-100，7t-FWD荷载变化曲线如图3所示。

2.3 路基衰减对路面结构强度的影响

保持面层和基层结构层参数不变，路基弹性模量取值范围在40～200 MPa，具体取值如表2所示。利用Abaqus有限元软件对路面强度进行分析，提取荷载加载区中心位置的最大弯沉值作为路表弯沉，具体计算结果如表3所示。

由表3计算结果可知，路基模量从200 MPa衰减至40 MPa时，即路基模量衰减80%，路表弯沉从5.1（0.01 mm）增加至8.2（0.01 mm），增幅为60.8%。

2.4 面层衰减对路面结构强度的影响

保持基层、底基层及路基的模量不变，上面层、中面层及下面层模量同时从0%衰减至80%，且衰减比例保持相同，具体如表4所示，具体计算结果如表5所示。

由表5计算结果可知，面层模量衰减80%时，路表弯沉从5.1（0.01 mm）增加至10.3（0.01 mm），增幅为101.9%。

2.5 基层底基层模量衰减对路面结构强度的影响

保持上面层、中面层、下面层及路基的模量不变，基层模量从0%衰减至80%，与此同时底基层从0%衰减至40%，具体如表6所示，计算结果如表7所示。

由表7计算结果可知，基层模量从0%衰减至80%，底基层从0%衰减至40%，路表弯沉从5.1（0.01 mm）增加至10.1（0.01 mm），增幅为98%。

2.6 路面结构整体衰减对路面结构强度的影响

保持路基模量不变，上面层、中面层、下面层、基层及底基层模量同时衰减，面层逐渐衰减至80%、基层逐渐衰减至40%、底基层逐渐衰减至20%，具体如表8所示，计算结果如表9所示。

由表9計算结果可知，面层逐渐衰减至80%、基层逐渐衰减至40%、底基层逐渐衰减至20%，路表弯沉从5.1（0.01 mm）增加至11.89（0.01 mm），增幅为133.3%。

将以上路面接结构衰减类别进行对比，对比结果如图4所示。

综上所述，路面结构整体衰减对路表弯沉的影响最大，其次是基层底基层模量的衰减及面层的衰减，路基模量的衰减对路面结构整体强度影响较小。

3 结论

（1）路基模量衰减80%时，路表弯沉从5.1（0.01 mm）增加至8.2（0.01 mm），增幅为60.8%，说明路基模量衰减会对路表弯沉造成一定的影响，但不足以影响到路面结构的使用功能，其路表弯沉仍然保持在正常水平范围。

（2）面层模量衰减、基层与底基层模量衰减及路面整体结构模量衰减都会对路表弯沉造成较大的影响，且会影响路面结构强度。

（3）路面结构整体衰减对路表弯沉的影响最大，其次是基层底基层模量的衰减及面层的衰减，路基模量的衰减对路面结构整体强度影响较小。

参考文献

[1]程宇飞， 孔军. 基于客货分行模式的乌奎高速公路改扩建路面研究[J]. 公路， 2021（10）： 84-89.

[2]陶华策， 巨锁基. 基于动态称重数据的多哥壹号公路交通荷载分析[J]. 公路， 2020（9）： 222-225.

[3]曾峰， 王旭东. 半刚性基层长寿命沥青路面的实践检验[J]. 公路， 2016（12）： 1-7.

[4]韦金城. 沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳损伤研究[D]. 西安：长安大学， 2014.

[5] Theyse H， De Beer M， Rust F. Overview of South African Mechanistic Pavement Design Method[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 1996， 1539： 6-17.

[6]马林， 罗传熙， 聂文， 等. 超长服役的半刚性基层模量衰减机理研究[J]. 公路， 2023（5）： 59-65.

[7]王建章， 李红. 沥青路面半刚性基层结构承载能力评价方法研究[J]. 公路工程， 2018（5）： 209-212.

[8]曹丹丹， 朱铭， 张嘉， 等. 动态反演方法进行路面结构性能衰减分析的可行性[J]. 北京工业大学学报， 2022（6）： 598-607.