高温重载条件下全柔性高模量沥青路面结构的应用研究

林志伟 梁永存 龙威宇 韩荣杰

(1.中交一公局集团有限公司 北京 102205； 2.武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063)

由于建设成本制约，非洲地区高速公路路面目前主要采用普通沥青路面，这种普通的沥青路面结构使用寿命往往不足[1]。为了减少沥青路面结构病害、延长沥青路面使用寿命，世界各国相关道路专家对永久性沥青路面结构的探讨研究日渐增加。高模量沥青混凝土路面结构是永久性沥青路面主要结构形式之一，高模量沥青混合料材料自身较高的强度、刚度，以及低空隙特性使得路面结构具备优秀的耐久性和抗车辙变形能力[2]。

高模量沥青混凝土具有良好的高温稳定性和抗车辙变形能力，但由于其模量相比普通沥青混凝土有很大提高，导致路面结构层刚度增大，为了改善不同路面结构刚度协调性，本文考虑在刚度较大的高模量沥青混凝土路面结构层和土基之间设置一层柔性过渡底基层，实现高模量沥青混凝土路面结构层和土基之间刚度逐步过渡，以期能有效改善高模量沥青混凝土路面结构的抗疲劳性能，延长路面使用寿命。因此，本文定义一种新的路面结构——全柔性高模量沥青路面结构，其路面各结构层全为柔性材料，面层和基层均采用高模量沥青混凝土铺筑，并设置柔性过渡底基层。

本文依托雅杜高速公路项目，参照法国规范进行路面结构设计，根据雅杜高速公路全柔性沥青路面结构，利用ABAQUS有限元软件建立三维数值模型，通过有限元数值模拟分析方法，对全柔性高模量沥青路面进行力学敏感性分析，研究在不同车辆荷载作用、结构层材料模量，以及结构层厚度因素下的路面结构力学响应变化，并对雅杜高速公路路面结构原有设计方案进行优化。

1 工程概况

雅杜高速公路是连接喀麦隆中央大区和滨海大区路线的重要组成部分，在喀麦隆国家干线公路网中承担极其重要的作用。调查发现雅杜高速沿线重载、超载现象严重，交通量统计结果显示，大货车占比69%，超载车辆占比65.3%，车辆轴载多以2轴车和3轴车为主，最大超载轴重甚至达到16.1 t，最大超载比例为89.8%。喀麦隆靠近赤道两侧，受高温气候影响，沥青路面表面温度白天最高可达到60～70 ℃，其对路面的高温稳定性极为不利。考虑到喀麦隆当地的气候条件和重载交通情况，国内外传统的全厚式沥青路面结构往往不能解决重载车辆对路面产生的疲劳开裂问题，以及高温条件产生的路面车辙变形问题[3-4]，为了减轻在车辆荷载作用下沥青路面结构层产生的塑性累积变形和疲劳开裂，本文选择高模量沥青混合料作为路面结构的面层和基层材料，形成全柔性高模量沥青路面结构层，提高雅杜高速沥青路面的高温稳定性和抗疲劳性能。根据法国路面设计规范进行路面结构设计，采用Alize软件进行验算，初步拟定雅杜高速公路路面结构形式为：6 cm BBME1面层+7 cm EME2上基层+7 cm EME2下基层+20 cm级配碎石底基层。

2 路面结构模型建立

2.1 路面结构层材料参数取值

结合雅杜高速公路的实际工程情况，在土基上铺筑有50 cm的红土砾石作为PST路床。全柔性高模量沥青路面各结构层的厚度、弹性模量及泊松比见表1。

表1 全柔性高模量沥青路面各结构层厚度、弹性模量及泊松比

根据沥青混凝土材料的黏弹性特点，采用ABAQUS中的硬化蠕变模型，该模型将沥青混凝土的变形看作时间和应力之间的函数关系，通过非线性蠕变回归系数模拟沥青层变形，其表达式见(1)。

εcr=Aσmtn

(1)

式中：εcr为蠕变应变速率；σ为蠕变应力；t为蠕变加载作用时间；A、m、n为材料蠕变回归系数。

得出各沥青层材料蠕变回归系数见表2。

表2 各沥青层材料蠕变回归系数

2.2 路面结构力学响应有限元模型

有限元计算取一个适度大小的模型[5]，行车方向Z取长度6 m、路面横断面方向X取6 m，路基深度方向Y取5 m。边界条件为底部固定、侧向水平方向位移为0。对路面结构各计算区块采用8节点六面体实体单元划分网格，沥青路面结构有限元模型见图1。以双轮组单轴载100 kN作为标准轴载，每个轮压强为0.7 MPa。

图1 沥青路面结构有限元模型

2.3 路面结构力学响应控制指标选取

1)水平剪应力。路面结构中过大的剪应力会导致裂缝破坏和车辙变形[6]。裂缝的产生主要是路面结构层竖向剪应力和水平剪应力引起的，失稳型车辙形成的主要原因是水平剪应力，本文以面层内最大水平剪应力为失稳型车辙的计算指标。

2)竖向压应力。过大的竖向压应力是引起路面车辙产生的另一个重要因素，当车辆荷载较大时，受到过大压应力的路面发生竖向压缩变形，经过日积月累地塑性变形，最后形成流动型车辙，本文以面层内最大竖向压应力作为流动型车辙的计算指标。

3)层底拉应力。过大的层底拉应力会导致路面结构层发生疲劳开裂，因此，需要计算分析基层层底最大拉应力的变化对路面结构抗疲劳性能的影响。

3 路面结构力学敏感性分析

3.1 车辆荷载对路面结构的影响

全柔性沥青路面最常见的路面病害为疲劳开裂和车辙永久变形，这2种病害的产生与力学响应直接相关，受到路面结构形式、材料力学性能，以及车辆荷载作用影响。重交通造成的沥青路面损坏已经非常普遍，研究不同车辆荷载作用下[7]，全柔性高模量沥青路面结构力学响应的影响，分析全柔性高模量沥青路面在抗车辙和抗疲劳方面的作用效果。车辆荷载采用双轮组单轴载100，130，160，190和220 kN的5种工况，其他计算参数不变，面层内最大水平剪应力、面层内最大竖向压应力和下基层层底最大拉应力结果见表3。

表3 车辆荷载对全柔性高模量沥青路面应力的影响

由表3可知，沥青面层内最大水平剪应力随车辆荷载的增加而增大，车辆荷载每增加30 kN，沥青面层内最大水平剪应力也随之增加30.2%，轮载从100 kN增加至220 kN时，沥青面层内最大竖向压应力增加了120%，下基层层底拉应力增加了136%，使得下基层区域成为最不利区域。因此，超载、重载车辆成为路面产生病害的主要原因，在不断提高沥青路面自身性能的同时，避免车辆超载、重载对延长路面使用寿命意义重大。

3.2 材料模量对路面结构的影响

沥青混凝土是典型的热流变材料，其力学性能参数受到环境影响较大，特别是受到温度影响会发生模量变化。因此，对全柔性高模量沥青路面面层和基层的弹性模量等力学参数要展开敏感性分析。面层直接接触车轮且长期受到紫外线的照射，使沥青混凝土面层更容易受到温度影响产生模量变化，面层模量采用5 000，6 500，8 000，9 500和11 000 MPa 5种工况，其他计算参数不变，面层内最大水平剪应力、面层内最大竖向压应力和下基层层底最大拉应力结果见表4。

表4 面层模量对全柔性高模量沥青路面应力的影响

由表4可知，增加面层模量对面层内最大水平剪应力影响很小，这是由于沥青混凝土的力学性能较为特殊，在多数情况下表现为黏弹性，沥青混凝土受到荷载作用时首先发生弹性变形进而产生黏弹性变形，卸载后黏塑性变形因无法恢复而形成永久变形,因此面层模量与面层内最大水平剪应力不存在线性相关。当面层模量从5 000 MPa增加至11 000 MPa，路面结构中面层内最大竖向压应力减小了0.5%，而下基层层底最大拉应力增加了0.06 kPa。因此，无论是从抗车辙变形还是从抗疲劳性能考虑，通过增加面层模量来改善全柔性高模量沥青路面的使用性能并不合适，还需要分析基层模量对全柔性高模量沥青路面的应力影响。

基层是产生最大拉应力的主要区域，而过大的拉应力是导致路面结构疲劳开裂、产生反射裂缝和水损坏的主要原因。因此，基层在保持较好承载力的同时也需要具有良好的抗疲劳性能。基层模量采用9 000，11 000，13 000，15 000和17 000 MPa 5种工况，其他计算参数不变，面层内最大水平剪应力、面层内最大竖向压应力和下基层层底最大拉应力结果见表5。

表5 基层模量对全柔性高模量沥青路面应力的影响

由表5可知，随着基层模量的增加，面层内最大水平剪应力也随之减小，基层模量从9 000 MPa增加至17 000 MPa，面层内最大水平剪应力减小了0.036 kPa，增加基层模量对于减小面层内最大水平剪应力效果一般。基层模量增加了8 000 MPa，面层内最大竖向压应力增加了0.3 kPa。说明通过增加基层模量，虽然无法减小面层内最大竖向压应力，但是增加基层模量可以减小路面下部区域即基层和底基层的竖向压应力，可以有效降低下基层层底拉应力值，当基层模量达到15 000 MPa，下基层层底拉应力减小速度最快，达到了6%。当基层模量超过15 000 MPa时，下基层层底拉应力减小速度开始变慢，说明基层模量达到15 000 MPa，路面结构的抗疲劳开裂性能较好，通过在沥青碎石基层中掺入高模量剂提高基层动态模量具有可行性。随着下基层层底拉应力减小，基层发生疲劳开裂的概率也大大降低，延长了基层的使用寿命，进而延长了全柔性高模量沥青路面结构使用寿命。

3.3 结构层厚度对路面结构的影响

研究不同结构层厚度变化对路面结构力学响应的影响，确定具备最佳力学性能的结构厚度。通过研究不同面层厚度下路面结构力学响应，分析厚度在抗车辙和抗疲劳方面的效果。面层厚度采用5，6，7，8，9和10 cm 6种工况，其他计算参数不变，面层内最大水平剪应力、面层内最大竖向压应力和下基层层底最大拉应力结果见表6。

表6 面层厚度对全柔性高模量沥青路面应力的影响

由表6可知，增加面层的厚度使得面层内水平剪应力不断减小，面层内最大水平剪应力分别减少了10.78%，5.07%，3.96%，3.17%和2.96%。表明随着面层厚度的增加，面层内最大水平剪应力减小速度越来越小，在一定范围内增加面层厚度可以有效减少失稳型车辙病害的发生。面层厚度从5 cm增加至10 cm，面层内最大竖向压应力减小了1.4%，表明通过增加面层厚度来减小面层内竖向压应力峰值作用很小，减小面层内竖向压应力的速度较慢，且减小效果差。当面层厚度为6 cm时，面层内最大竖向压应力最小，为114.646 kPa。面层厚度从5 cm增加至10 cm，下基层层底最大拉应力减小了4.16%。通过增加面层厚度，虽然能够减小下基层层底拉应力，但是减小速度较小，效果一般。无论是从路面结构力学响应结果还是路面建设成本来看，采用增加面层厚度对增强路面结构抗疲劳效果均不理想。从水平剪应力、竖向压应力和下基层层底拉应力来看，建议面层最佳厚度取为6 cm。

增加面层厚度对减小路面车辙变形和疲劳开裂效果并不明显，通过研究采用不同厚度的上基层对路面结构力学的响应影响，研究上基层厚度增加对路面结构力学性能提高的效果。上基层厚度采用6，7，8，9，10和11 cm 6种工况，其他计算参数不变，面层内最大水平剪应力、面层内最大竖向压应力和下基层层底最大拉应力结果见表7。

表7 基层厚度对全柔性高模量沥青路面应力的影响

由表7可知，上基层厚度从6 cm增加至11 cm，面层内最大水平剪应力减少了13.8%。通过增加上基层厚度来提高路面面层的抗剪性能效果较好。上基层厚度从6 cm增加至11 cm，面层内竖向压应力最大值减小了0.72%，增加上基层厚度对增强路面抵抗竖向压应力效果一般。上基层厚度从6 cm增加至9 cm，下基层层底拉应力逐渐减小。而上基层厚度从10 cm增加至11 cm，下基层层层底拉应力开始逐渐增大。说明在一定范围内增加上基层的厚度对于缓解下基层层底拉应力具有一定效果，但是不能将下基层层底拉应力变得足够小，无法完全避免路面基层因为拉应力过大产生疲劳开裂及自下而上的反射裂缝的产生。综上所述，从水平剪应力、竖向压应力和下基层层底拉应力3个控制指标出发，上基层采用9 cm时，路面结构具有较好的抗疲劳效果，为了进一步研究车辙变形和疲劳开裂等路面病害，下文通过分析不同下基层厚度变化对路面结构力学响应的影响，以选取合适的下基层厚度。

基层作为直接接触底基层的结构层，过薄的下基层无法抵抗疲劳开裂，采用不同厚度的下基层分析路面结构力学响应的影响，研究下基层厚度增加对路面结构力学性能提高的效果。下基层厚度采用7，8，9和10 cm 4种工况，其他计算参数不变，面层内最大水平剪应力、面层内最大竖向压应力和下基层层底最大拉应力结果见表8。

表8 下基层厚度对全柔性高模量沥青路面应力的影响

由表8可知，下基层厚度从7 cm增加至10 cm，面层内最大水平剪应力从104.457 kPa减少到93.657 kPa，减少了10.35%。随着下基层厚度的增加，下基层层底拉应力也逐渐减小。下基层厚度从7 cm增加至10 cm，下基层层底拉应力减小了2.2%。

通过分析不同下基层厚度的全柔性高模量沥青路面的力学响应的影响，发现增加下基层厚度，对于减少路面产生失稳型车辙作用效果较好，同时也可以降低下基层层底拉应力，减少下基层疲劳开裂和反射裂缝的产生。因此，可以适当增加下基层厚度，建议取10 cm。

4 试验路使用效果验证

根据全柔性高模量沥青路面力学响应影响结果，确定了雅杜高速公路最佳路面结构方案。按照6 cm+9 cm+10 cm沥青层厚度进行试验路铺筑，为验证全柔性高模量沥青路面结构的合理性和路面结构的力学性能，在试验路K0+170和K0+330 2个桩号下基层层底埋设压力盒和光栅应变传感器，检测全柔性高模量沥青路面下基层的竖向压应力和下基层层底的水平拉应变[8]。

根据相关文献[9-10]可知，最大剪应力与车辙变形随着行车速度的增加而减小。雅杜高速设计车速为80 km/h，根据路面结构埋设的观测元件数据采集灵敏度要求，通过现场多种行车速度条件下路面结构响应结果对比发现，加载车辆以60 km/h的速度通过，各观测元件采集的数据最稳定，因此，本文采用标准轴载100 kN的加载车辆以60 km/h的速度匀速通过试验路各检测点，采集路面结构层底水平拉应变力学响应指标，由各检测点的压力盒和光栅应变传感器得到的下基层层底水平拉应变及竖向压应力实测值结果见表9。

表9 下基层层底水平拉应变和竖向压应力理论值与实测值

由表9可知，2个桩号的路面下基层层底均出现水平拉应变和竖向压应力，说明雅杜高速公路试验路全柔性高模量沥青面下基层层底处于受拉状态，当下基层层底拉应变过大时，全柔性高模量沥青路面下基层层底仍会产生疲劳开裂。同时，竖向压应力也是导致路面结构产生流动型车辙的主要原因。实测的水平拉应变和竖向压应力与仿真模拟计算的理论值比较接近，实测值略大于理论值，水平拉应变误差范围为17%～25%，竖向压应力的误差范围为9%～16%。这说明雅杜高速公路全柔性高模量沥青路面结构力学响应的计算结果较为准确和可靠，全柔性高模量沥青路面各结构层材料参数的取值较为合理。

5 结语

本研究利用ABAQUS有限元分析软件，通过对全柔性高模量沥青路面进行黏弹性分析，分析了不同车辆荷载作用、材料模量、结构层厚度变化下，全柔性高模量沥青路面的力学响应，优化了雅杜高速公路路面结构设计方案，并进行试验路使用效果检测，得出以下结论。

1)车辆荷载、沥青层厚度和沥青层模量的变化对路面结构力学性能的影响大小排序为：车辆荷载、沥青层厚度、沥青层模量，按其影响大小排序确定各结构层厚度，选择采用6 cm+9 cm+10 cm的沥青层组合厚度。

2)试验路观测结果表明，标准轴载作用下全柔性高模量沥青路面下基层层底水平拉应变和竖向压应力的实测值与理论值误差范围较小，全柔性高模量沥青路面力学响应计算结果较为合理、可靠。