高速公路瀝青路面不同結構層應力分析

劉志華,尹 聰,劉明茜,曾慶偉,臧國帥,凌 聰

(1.天津高速公路集團有限公司,天津 300000;2.中路交科科技股份有限公司,江蘇 南京 210000)

為研究高速公路長壽命瀝青路面結構類型,以彈性層狀體系理論為基礎,采用BISAR 3.0計算軟件,通過對比不同面層厚度及不同結構層模量下瀝青路面結構的力學響應規律,為天津高速公路長壽命試驗路方案設計及方案比選提供較為準確、可靠的參考,同時也為長壽命瀝青路面結構型式的拓展提供借鑒。

李蕓等[1]基于云羅高速公路長壽命試驗路,分析了半剛性基層、剛性基層和柔性基層瀝青路面的三維應力分布特征。結果表明,通過增加面層模量和厚度,適當增加基層模量和土基模量,可以優化瀝青路面的結構應力,但基層模量不宜過高。

李浩等[2]采用Ansys有限元軟件進行受力計算,結果表明,與傳統的半剛性基層相比,碾壓混凝土的溫度收縮系數更小,相同條件下的溫度應力降低40%,抗裂性更好。

呂良宏[3]通過有限元計算和理論分析,對比分析了兩種不同瀝青路面結構——半剛性基層和柔性基層的力學特性,并從理論上解釋了柔性基層如何提高瀝青路面的力學特性。

張志清等[4]通過建立三維有限元模型,模擬了軌道交通進出公交港時路面結構的變速移動荷載。數值分析結果表明,在車輛制動過程中,路面的垂直位移和層間剪應力增加,路面結構層的剪應力交替變化;在動荷載作用下,瀝青結構層中最大剪應力的位置發生變化,最易發生剪切破壞的部位是瀝青面層和面層與基層之間的接縫;進站加速度的增加使路面層間剪應力顯著增加,豎向位移略有增加。

黃磊等[5]介紹了半剛性基層的定義和特點,闡述了半剛性瀝青路面各結構層的作用,利用BISAR軟件分析了各結構層應力,探討了半剛性路面的合理厚度。

傅珍等[6]等采用BISAR軟件,分析了干線公路瀝青路面結構層參數的影響,并得出面層底部及基層底部應力與厚度有關,當厚度增加時應力逐漸變小;面層底部及基層底部應力與動態壓縮模量有關,當動態壓縮模量增加時,應力逐漸變大。

在之前研究基礎上,通過對比天津不同高速公路路面結構層厚度和動態壓縮模量的變化,對豎向應力和橫、縱向應力的影響,并根據計算結果,推薦天津市高速公路典型路面結構和厚度,為天津市新的高速公路路基路面設計時,提供數據支撐。

1 方案

1.1 天津高速公路路面結構層現狀

1.1.1 路面結構類型與基本情況

天津高速公路結構層面層在2000年前后的建設探索期瀝青層材料主要為AC類或AK類材料,基層為水泥穩定碎石或二灰碎石材料,底基層為石灰土;到了2005年前后的技術發展期瀝青層材料面層材料包含了AC/AK/SUP三種形式,由單層改性向雙層改性發展,面層材料厚度也有所增加;2015年前后的技術提升期路面結構類型較為穩定,瀝青層結構穩定為改性AC-13+改性AC-20+ATB-25/30結構。

基層厚度在近些年基層厚度也逐漸增厚,從最初的15～16 cm到現在的22～23 cm;材料類型主要由二灰碎石、水泥穩定碎石等構成,為半剛性基層,半剛性基層材料具有較高的抗壓強度和抗彎拉強度以及較強的荷載分布能力和穩定的路面彎沉值,而且半剛性基層的抗壓和抗彎拉強度都隨齡期的增加而不斷增強。

1.1.2 荷載情況

圖1列舉了天津市2020年高速公路多條高速日均車流量及貨車占比。

圖1 2020年天津市高速公路日均車流量及貨車占比

由圖1可知,天津市高速公路在2020年車輛荷載等級總體來看較重。在選取的15條高速公路中,其中5條高速公路為特重荷載等級類型,5條高速為重型荷載等級類型,重型及以上荷載等級類型占比達66.7%?；诖饲闆r,有必要對天津市已有高速公路路面結構層類型和厚度進行計算,推薦出較為合理的路面結構類型與厚度。

1.2 模型建立

將路面結構作為一種多層彈性體系,面層材料假設為粒式瀝青混凝土,動態壓縮模量根據不同路面結構層材料查表確定。半剛性基層假設為二灰碎石、水泥穩定碎石等材料,動態壓縮模量和厚度根據高速公路實際情況進行確定;底基層假設為石灰土、二灰土等,動態壓縮模量和厚度根據高速公路實際情況進行確定。

采用《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)推薦的雙圓均布荷載,單輪接地當量圓半徑為0.106 5 m,兩輪中心間距0.319 5 m,荷載壓力0.707 MPa,單輪設計軸載25 kN,輪胎接地壓強0.70 MPa,路面結構力學響應計算采用BISAR 3.0軟件進行線彈性計算。

1.3 典型高速選取

以選取的四條高速公路為基礎,對比分析不同結構層厚度、不同結構層類型下的應力變化,結構層厚度、類型、動態壓縮模量和泊松比如表1～表4所示。

表1 濱保高速結構層類型及厚度

表2 津石高速結構層類型及厚度

表3 京哈高速結構層類型及厚度

表4 長深高速結構層類型及厚度

2 應力計算結果

2.1 豎向應力

根據BISAR 3.0軟件,將單輪接地當量圓半徑為0.106 5 m,兩輪中心間距0.319 5 m,荷載壓力0.707 MPa,單輪設計軸載25 kN,輪胎接地壓強0.70 MPa基礎數據,以及結構層厚度、模量等數據再次輸入,得到豎向應力值結果,如表5所示。

表5 不同高速路面結構層豎向應力值

當層位深度為0即路面時,不同高速路面結構的豎向壓應力值均為-0.701 6 MPa;并且可以明顯看出各高速路面結構豎向應力由面層轉至基層時,豎向應力值增加速率顯著提升。另外根據不同高速路面結構層總厚度變化趨勢可知,當總厚度越高時,傳遞至土基層上的豎向應力越小,例如長深高速路面結構類型一總厚度達96 cm,其達到土基上的豎向應力為-0.001 829 MPa,濱保高速路面結構達 79 cm,其達到土基上的豎向應力為-0.002 342 MPa,豎向應力下降了21.9%;而僅在面層時,下面層豎向應力值與厚度呈現不規則變化,這是由于結構層動態壓縮模量的不同導致,例如津石高速和長深高速結構類型一下面層選用了泡沫冷再生混合料,動態壓縮模量為5 000 MPa,遠低于AC、ATB、AK等類型混合料,因此導致不規則變化,并且可知,混合料動態壓縮模量值的大小對混合料豎向應力值影響效果大于厚度。

再由對比京哈高速路面結構類型一和結構類型二可知,兩種結構層總厚度均為84 cm,而京哈高速結構類型二面層厚度為19 cm高于結構2的16 cm,基層厚度低于結構類型一的68 cm,但對比土基上層豎向應力可知,結構類型二的最底層應力低于結構類型一,表明面層厚度對豎向應力的作用效果高于基層厚度的影響,同樣長深高速也呈現此變化趨勢。

2.2 橫、縱向應力

根據BISAR 3.0的計算結果,橫向應力變化如表6所示。

表6 不同高速路面結構層橫向應力值

根據BISAR 3.0的計算結果,縱向應力變化如表7所示。

表7 不同高速路面結構層縱向應力值

不同高速橫、縱向應力值在面層層位時均<0,在基層時橫向應力值>0,表明橫向應力值在面層和基層時,應力值大小出現顯著變化。對比京哈高速結構類型一和京哈高速結構類型二,面層厚度增加后,各層橫縱向應力均減小。對比濱保高速和津石高速可知,當增加基層厚度時,基層各層橫向、縱向應力均發生減少趨勢。

由長深高速結構類型一和結構類型二對比可知,長深高速結構類型一面層中選用了泡沫瀝青混合料其動態壓縮模量遠低于AC、AK、ATB等瀝青混合料,因此長深高速面層厚度為28 cm高于長深高速24 cm,其橫向、縱向應力值低于結構類型二。

由上述結論可知,上基層模量增加,下面層層底由拉應力轉化為壓應力,而上基層底由壓應力轉化為較大的拉應力,其他層底應力變化不顯著?？梢娺m當增加上基層模量對改善面層底應力狀態有利,可以緩解因面層抗拉不足而出現的早期裂縫病害,但過大的基層模量會造成該層底拉應力過大而出現疲勞破壞。

隨著面層厚度的不斷增加,各結構層層底彎沉逐漸減小,但變化趨勢不大;瀝青面層層底的彎沉較基層以及底基層層底彎沉偏小。由此可知,雖然可以通過增加瀝青面層厚度來減小路面結構的彎沉,但每增加2 cm,各結構層層底的彎沉減小不大,而且瀝青面層厚度的增加會導致車轍病害的發生。將路面彎沉控制在設計彎沉以內,總體上可以保證路面結構的穩定性。同時又考慮到,適當增加瀝青面層厚度可以增加瀝青路面的低溫抗裂性,所以,在進行半剛性基層瀝青路面設計時,要綜合考慮兩個因素來決定瀝青面層的合理厚度。

3 結 論

根據BISAR 3.0軟件計算天津市不同高速路面結構下的豎向、橫向、縱向應力結果可知。

(1)在面層時,下面層豎向應力值與厚度呈現不規則變化,這是由于結構層動態壓縮模量的不同導致;在基層時,當總厚度越高時,傳遞至土基層上的豎向應力越小,如長深高速路面結構高于濱保高速公路,但豎向應力下降了21.9%。

(2)在各層動態壓縮模量相似時。對于面層來說,面層厚度增加后,各層面層層底橫、縱向應力均減小;當增加基層厚度時,基層各層橫向、縱向應力均發生減少趨勢。

(3)各結構層動態壓縮模量值對應力的影響大于結構層厚度的影響。

(4)根據結果,推薦在新的高速公路路基路面設計時,選用濱保高速公路及津石高速公路路面結構類型及厚度。