基层模量对沥青混合料路面性能影响的力学分析

基层模量对沥青混合料路面性能影响的力学分析

戚家俊

扬州恒晨建设工程有限公司    江苏扬州    225000

摘 要: 通过对典型路面结构三维有限元计算, 得出了在车辆荷载作用下不同基层模量沥青路面内应力场的分布状态, 进一步揭示了基层模量对路面车辙、剪应力及疲劳寿命的影响规律。基层模量过大会加大面层车辙的深度, 使面层底部拉应力加大, 从而降低路面的疲劳寿命, 但是基层模量过小又不能形成足够的强度。综合分析认为, 半刚性基层模量在1200～1600 MPa范围内是比较合理的。

关键词: 基层模量；沥青混合料；路面性能；力学分析

1 前言

随着我国经济的快速发展以及交通量的不断增加, 对道路的要求也越来越高。传统的沥青碎石、沥青贯入式路面已不能满足日益增长的交通需求。而半刚

性基层沥青混凝土路面由于具有良好的力学性能和行车舒适性而被广泛应用到高等级公路中。据统计, 我国已建成的高速公路中, 90%以上使用的是半刚性基

层沥青混凝土路面。

半刚性基层沥青混凝土路面虽然具有不可替代的优点, 但是十几年的使用经验证明, 这种路面经常发生拥包、推挤、车辙、开裂等病害, 说明依据弹性层状体系理论计算的弯沉值、沥青面层疲劳寿命结果与工程实践中得出的数据严重不符, 因此有必要对车辆荷载作用下沥青路面内应力场的影响因素进行分析，对设计方法中存在的不足之处加以完善, 这对于提高道路的使用质量具有重要的现实意义。以往针对此方面的研究大都局限在面层, 而对基层的研究很少。在半刚性基层沥青路面结构当中，基层是路面荷载的主要承重层，基层的强度和模量的大小直接关系到路面结构的承载能力的大小及路面的使用寿命。

本文利用有限元理论研究了基层模量对面层力学性能的影响规律, 可以为道路的设计提供一些理论依据。通过对典型路面结构三维有限元计算, 得出了在车辆荷载作用下不同基层模量沥青路面内应力场的分布状态, 进一步揭示了基层模量对路面车辙、剪应力及疲劳寿命的影响规律。基层模量过大会加大面层车辙的深度, 使面层底部拉应力加大, 从而降低路面的疲劳寿命, 但是基层模量过小又不能形成足够的强度。

2 结构分析模型

2.1 路面结构及参数

路面结构及参数见表 1。

2.2 荷载形式

本文轴载取100kN, 轮胎压印(接地形状)采用矩形, 双轮中心间距为34cm。轮胎宽度取24cm, 轮胎的接地压力用Ikeda给出的轮胎接地压力与轮重和内压的经验关系式得到：

p=0.0042P’+0.29pi+0.145                (1)

式中:p为轮胎接地压力(MPa)；P’为双轮重(kN)；pi为轮胎内压(MPa)。

2.3 三维有限元模型的建立

路面结构的三维有限元模型如图 1所示。根据圣维南原理, 模型在长度方向取8m, 宽度方向取6m, 土基深度取 6 m。其中x方向为行车方向，y方向为路面横断面方向, z方向垂直于路面向上方向。有限元计算采用8节点六面体实体单元。边界条件设为：底面施加固定约束，左右两侧限制y方向位移，前后两侧限制x方向位移, 面层表面无约束, 层间接触状态视为完全连续。

3 基层模量对路面车辙的影响

一般认为, 沥青混合料受到一定荷载作用后, 即发生瞬时弹性变形。之后, 随荷载作用时间的推移, 材料又完成粘弹性变形, 并伴随有粘性流动变形。据试验及实际路面观测可知, 沥青混合料在受力过程中, 粘性流动变形并非随荷载作用时间无限增长, 其增量随时间逐渐减小并趋于零。这就是所谓的沥青混合料的“固结效应”。当卸载后, 沥青混合料立即产生弹性恢复, 而后随时间的推移, 粘弹性变形也可得到恢复, 而粘性流动变形则不能恢复, 形成永久变形。反映在沥青混合料路面上形成所谓的“车辙”。根据相关文献提出的“四单元五参数模型”，粘性流动变形的大小与加载应力具有如下正比关系:

式中: εp为材料的粘性流动变形；σ为竖向加载应力；A表示混合料的初始粘滞度, 值越大表示混合料的初始粘性变形越小；B表示混合料的粘滞度随时间的变化规律, 值越大表示混合料随着加载时间的延长其“固结效应”越明显, 它们可通过蠕变试验确定, 本文采用的是40℃和0.1 MPa加载应力下的值；t为加载时间。

车辙深度(RD)与计算层的竖向平均应力的关系如下式所示:

式中：h为计算层的厚度, 其他参数意义同前。

由式(3)可以看出, 要想求出车辙的深度, 首先必须确定沥青面层内的竖向平均应力R。本文通过有限元程序对不同基层模量下面层内竖向平均应力进行了计算, 结果见图 2及表 2。

为了对比基层模量对车辙的影响规律，本文假定800 MPa时的模量为基准模量, 其所对应的车辙深度为1。由于对同一种沥青混合料来说其A、B值是相同的, 且加载时间t一致, 所以通过不同模量所对应的竖向应力与基准模量所对应的竖向应力之比即可求出其相对车辙量, 具体结果见表 3。

由表 3数据可以看出, 在高温下基层模量对路表变形的影响还是非常显著的。随着基层模量的增加, 车辙深度随之增大。当基层模量为1600 MPa时, 车辙深度比800 MPa时增加了20%，当基层模量为2400 MPa时，车辙深度比800 MPa 时增加了32%。可见, 在进行路面结构设计时, 合理控制好基层模量对于有效减小车辙深度是相对可行的, 本文建议实际应用中从减小车辙的角度考虑半刚性基层模量控制在1200～1600 MPa范围内较为合理。

4 基层模量对面层剪应力的影响

在车辆荷载的综合作用下, 沥青面层内部承受着很大的剪应力, 特别在城市道路交叉口等一些特殊区域, 由于车辆频繁刹车、起动及转向, 所带来的剪应力更大。沥青混合料在剪应力的作用下, 很容易发生剪切破坏。而我国沥青混合料设计规范中缺乏对抗剪强度的要求, 所以不少沥青路面在建成不到2年就发生了车辙、裂缝等剪切损坏。

本文针对基层模量对面层内剪应力的影响规律进行了研究(图3) 。从图3可以看出, 基层模量的变化对面层内最大剪应力的大小影响不大。当基层模量从

800 MPa增大到2400 MPa时, 面层内最大剪应力仅变化3%；特别是在距表面2 cm范围内, 最大剪应力的大小几乎不随基层模量的变化而改变。

5 基层模量对沥青路面疲劳寿命的影响

理论和实践都证明，路面在整个使用过程中长期处于应力(应变)重复循环变化的状态。由于路面材料的抗压强度远大于抗拉强度, 而面层底部各点所受到的拉应力较之表面各点所受到的拉应力要大得多，因此在荷载重复作用下通常从面层底部开始开裂。

对于沥青混合料疲劳特性的研究，国内外学者都做了大量的工作。如：美国“SHRP”公路战略研究计划把疲劳作为主要研究项目之一，得出了如下回归方程：

Nf=2.738×105exp0.077VFB(ε0)-3.624(S0)-2.720          (4)

式中：Nf为疲劳寿命；ε0为初始应变；S0为初始劲度模量(1 psi= 0.0069 MPa)；VFB为沥青填隙率(%)。

我国“七五”期间对沥青混合料疲劳特性也做了专题研究。对沥青混合料小梁试件进行了弯拉疲劳试验，得出了修正后的沥青混合料疲劳寿命预估方程：Ne= 2.95×108σ- 3.670。本文利用修正后的疲劳寿命预估方程，对基层模量与疲劳寿命之间的关系进行了研究，结果见表 4。

从表 4可以看出, 基层模量对沥青面层疲劳寿命的影响很大。基层模量为800 MPa时的疲劳寿命为90600×106次，而当基层模量增大到2400 MPa时，疲劳寿命减小到3400×106次, 降低了近26倍。所以适当控制基层模量对于延长道路的使用寿命具有积极的作用。

6 结论

通过对典型路面结构三维有限元模拟仿真计算，得出了在车辆荷载作用下不同基层模量沥青路面内应力场的分布状态, 进一步揭示了基层模量对路面车辙、

剪应力及疲劳寿命的影响规律，基层模量过大会加大面层车辙的深度, 使面层底部拉应力加大, 从而降低路面的疲劳寿命, 但是基层模量过小又不能形成足够的强度，通过分析得出以下主要结论。

(1)基层模量对路表剪应力的影响不大。

(2)过高的基层模量会增加沥青面层的永久变形，从而增大车辙深度，同时基层模量过大还会导致面层底部最大拉应力增加，从而大大降低面层的疲劳寿命。

(3)综合考虑我国目前道路高轴载、重交通的特点，本文认为半刚性基层模量控制在1200～1600 MPa范围内是比较合理的。