基于使用性能的瀝青路面結(jié)構(gòu)方案比選分析

操宇航，劉敬輝，李哲群

（三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北　宜昌　443002）

基于使用性能的瀝青路面結(jié)構(gòu)方案比選分析

操宇航，劉敬輝，李哲群

（三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌443002）

在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，從眾多的路面結(jié)構(gòu)方案中選擇出最適合的方案是一個(gè)比較困難的問(wèn)題，路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性是否合理將直接影響到路面的使用性能.通過(guò)使用有限元計(jì)算的方法對(duì)不同的路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行受力分析，并建立各不同路面結(jié)構(gòu)的使用性能衰變方程來(lái)分析各路面結(jié)構(gòu)的使用性能變化規(guī)律，綜合比較受力分析的結(jié)果和所建立的各路面結(jié)構(gòu)性能曲線(xiàn)，可以從考慮性能的角度出發(fā)為路面結(jié)構(gòu)方案比選提供一個(gè)可行的方法.關(guān)鍵詞：有限元計(jì)算；受力分析；路面使用性能；結(jié)構(gòu)方案比選

瀝青路面是由瀝青面層、基層、墊層、底基層等組成的多層結(jié)構(gòu)，由于各層結(jié)構(gòu)的材料和厚度有不同的組合形式，致使路面結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)存在多種選擇.不同的路面結(jié)構(gòu)方案其使用性能和路面結(jié)構(gòu)行為會(huì)出現(xiàn)較大的差異，選擇合理的路面結(jié)構(gòu)方案可以使瀝青路面具有良好的使用性能以及結(jié)構(gòu)行為，而如何選定最佳的路面結(jié)構(gòu)方案則是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.目前常用的路面方案選擇方法主要是層次分析法［1］、模糊綜合評(píng)判法［2］以及壽命周期費(fèi)用分析［3-5］的方法.層次分析法和模糊綜合評(píng)判的方法的評(píng)判結(jié)果主要根據(jù)專(zhuān)家的判斷來(lái)得出，其評(píng)判過(guò)程無(wú)法定量表示，因此方案評(píng)判的可信度比較低；壽命周期費(fèi)用分析法是對(duì)不同的路面結(jié)構(gòu)方案考慮其壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用的分析方法，壽命周期費(fèi)用分析法主要應(yīng)用于路面經(jīng)濟(jì)分析，被認(rèn)為是比較合理的方法，但是值得注意壽命周期費(fèi)用分析法對(duì)于路面性能的高低并沒(méi)有進(jìn)行考慮，因此就路面性能而言，采用該方法所推薦的方案可能不是最佳的.

本文采用有限元計(jì)算的方法來(lái)對(duì)不同的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并通過(guò)建立瀝青路面結(jié)構(gòu)的使用性能衰變方程來(lái)分析各路面結(jié)構(gòu)的使用性能變化規(guī)律，以珠三角地區(qū)三種具有代表性的路面結(jié)構(gòu)方案為例，對(duì)基于性能的路面結(jié)構(gòu)方案比選研究進(jìn)行初步探索.

1　路面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1.1計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

本文選擇珠三角地區(qū)具有代表性的三條高速公路的路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1.

我國(guó)規(guī)范在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以彈性層狀體系為力學(xué)分析的基礎(chǔ)理論，即假定路面各層為平面無(wú)限大的彈性層，路基為彈性半空間體.由于在采用有限元計(jì)算時(shí)，無(wú)法將模型取為無(wú)限大，所以選擇合適的計(jì)算模型尺寸十分重要，合理的模型尺寸既可以保證模型的計(jì)算精度也能夠避免多余的計(jì)算量，結(jié)合以往的研究［6-7］，本文取路基和路面的平面方向尺寸相等均取為5m，路基深度方向取為6m.模型的邊界條件設(shè)定為：在模型的底面上沒(méi)有沿豎向z方向的位移，在左右兩個(gè)面上沒(méi)有沿行車(chē)方向y方向的位移，在前后兩個(gè)面上沒(méi)有沿x方向的位移.參考規(guī)范［8］計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪壓為0.7 MPa，參考胡小弟關(guān)于輪胎接地壓力的研究［9-10］，考慮有限元模型網(wǎng)格的劃分和加載的方便，車(chē)輪荷載分布形式簡(jiǎn)化為20×20cm的正方形.

表1　計(jì)算所用路面結(jié)構(gòu)形式以及參數(shù)Tab.1 The pavement structure and parameters used for calculate

表2　輪隙中心處彎沉值的比較（mm）Tab.2 Comparison of surfacing deflection at wheel centre

表3　瀝青層底最大拉應(yīng)力的比較（MPa）Tab.3 Comparison of maximum tensile stress at base of asphalt layer

1.2ABAQUS與BISAR的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從力學(xué)角度分析，可以認(rèn)為半剛性基層瀝青路面的主要損壞狀態(tài)有三種：一是路面表面產(chǎn)生的過(guò)大變形；二是路面結(jié)構(gòu)層在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下被拉裂；三是結(jié)構(gòu)層在車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生的剪切破壞.對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行分析，有利于結(jié)合各路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于已建的路面結(jié)構(gòu)也有助于找到致使其路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞的原因.

本文分別采用有限元軟件ABAQUS和常用力學(xué)軟件BISAR來(lái)計(jì)算各路面結(jié)構(gòu)的輪隙中心處彎沉值以及瀝青層底最大拉應(yīng)力值，并對(duì)比兩種軟件的計(jì)算結(jié)果，來(lái)證明所選擇的有限元模型的準(zhǔn)確性，計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示.

由表2～3可以看出，BISAR計(jì)算得出的彎沉值與ABAQUS計(jì)算出的彎沉值結(jié)果相差0.03 mm左右，而瀝青層底最大拉應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果相差在0.02 MPa左右，兩種計(jì)算方法所得結(jié)果相差不大.

分析計(jì)算產(chǎn)生差異的原因有三個(gè)方面：一是由于采用BISAR計(jì)算時(shí)采用圓形均布荷載，而采用有限元計(jì)算時(shí)為了方便劃分網(wǎng)格將施加的雙圓均布荷載換算成了矩形荷載；二是由于在有限元計(jì)算時(shí)模型網(wǎng)格劃分的質(zhì)量會(huì)影響到計(jì)算的精度；三是由于BISAR在計(jì)算時(shí)認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)是一個(gè)半空間無(wú)限體，在深度和水平方向都是無(wú)限大，而有限元方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)所考慮的只是有限的結(jié)構(gòu)模型.因此可以認(rèn)為有限元模型的選擇具有正確性.

1.3彎沉

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范把路表輪隙中心處彎沉作為路面整體抗變形能力的指標(biāo)，彎沉值的大小可以比較直觀(guān)的反映出路面的整體承載力大小以及使用狀況的好壞.

從表2可以看出結(jié)構(gòu)A在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛荷載作用下輪隙中心處產(chǎn)生的彎沉值最大，而結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C輪隙中心處產(chǎn)生的彎沉較小，結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C產(chǎn)生的彎沉值相差不多.就三種路面結(jié)構(gòu)的整體對(duì)比而言，結(jié)構(gòu)A采用的是彈性模量較小的級(jí)配碎石作為底基層，而結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C采用的均是彈性模量較大水泥碎石底基層，結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C的彎沉值較小，在相同的行車(chē)荷載作用下其抵抗垂直變形的能力要比結(jié)構(gòu)A強(qiáng).

1.4拉應(yīng)力

在行車(chē)荷載作用半剛性路面將會(huì)產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，彎拉應(yīng)力的反復(fù)作用會(huì)使半剛性材料層產(chǎn)生彎拉疲勞破壞.面層層底的彎拉應(yīng)力是控制瀝青面層不產(chǎn)生開(kāi)裂的重要指標(biāo).三種路面結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各層層底產(chǎn)生的拉應(yīng)力如圖1所示.

圖1　標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路面結(jié)構(gòu)各層層底拉應(yīng)力Fig.1 The structure floor bottom stress under standard load

圖2　標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路面結(jié)構(gòu)各層層底壓應(yīng)力Fig.2 The structure floor bottom compressive stress under standard load

圖3　標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下最大剪應(yīng)力隨深度分布圖Fig.3 The maximum shear with the depth under standard load

從圖1可以看出，各路面結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下瀝青層的各層層底的拉應(yīng)力為負(fù)值，即為壓應(yīng)力，而基層、底基層層底的拉應(yīng)力為正值，即為拉應(yīng)力，在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下面層產(chǎn)生的壓應(yīng)力會(huì)引起壓縮變形，而基層產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)引起壓縮變形，因此在面層和基層的接觸面上容易造成剪切破壞.結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的基層層底拉應(yīng)力較大，而結(jié)構(gòu)C的基層層底拉應(yīng)力趨近于0，結(jié)構(gòu)C的底基層層底拉應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B.可以看出結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B均以基層層底為受力最不利位置，而結(jié)構(gòu)C以底基層層底為受力最不利位置.

1.5壓應(yīng)力

在行車(chē)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生的壓應(yīng)力，致使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓密變形，如果路面的施工質(zhì)量不好或是基層和底基層整體性不好，車(chē)輛荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)因產(chǎn)生不均勻沉降而破壞.三種路面結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各層層底產(chǎn)生的壓應(yīng)力如圖2所示.

從圖2可以看出，各結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力隨著深度的增加而減小，其中瀝青層的壓應(yīng)力比較大，而基層和底基層的壓應(yīng)力趨近于0，說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)的壓密變形主要產(chǎn)生于瀝青層.而在以上三種路面結(jié)構(gòu)形式中，結(jié)構(gòu)B的瀝青層各層層底壓應(yīng)力均要小于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)C.

1.6剪應(yīng)力

路面結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生推移、擁抱等病害現(xiàn)象，尤其是在夏季高溫季節(jié)，即使是很小的剪應(yīng)力也會(huì)使瀝青面層產(chǎn)生破壞.以上三種路面結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力如圖3所示

由圖3可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力從路表開(kāi)始隨深度增加而增大，在5～10 cm的深度范圍內(nèi)達(dá)到極值，然后隨深度的增加而逐漸減小，根據(jù)路面各結(jié)構(gòu)層的厚度可知，剪應(yīng)力對(duì)中面層的影響最為顯著，其次為下面層.剪應(yīng)力作用的主要區(qū)域?yàn)槊鎸?，而基層剪?yīng)力大小不到面層的一半.在造成瀝青路面產(chǎn)生剪切變形和轍槽的所有因素中，瀝青面層在行車(chē)荷載作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力是最主要的因素，瀝青面層產(chǎn)生的剪應(yīng)力越大產(chǎn)生的轍槽就越嚴(yán)重.以上三種路面結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)C產(chǎn)生的剪應(yīng)力最大，而結(jié)構(gòu)B產(chǎn)生的剪應(yīng)力最小，在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)C容易產(chǎn)生的較嚴(yán)重的轍槽，而結(jié)構(gòu)B產(chǎn)生轍槽的情況最好.

2　路面結(jié)構(gòu)行為曲線(xiàn)

路面使用性能的不同要素從不同側(cè)面反映了路面狀況對(duì)行車(chē)要求的適應(yīng)情況，路面在使用過(guò)程中，其承載力逐漸下降，與此同時(shí)路面損壞狀況逐步發(fā)展，通過(guò)建立路面結(jié)構(gòu)行為曲線(xiàn)可以判斷路面結(jié)構(gòu)的完好程度和損壞發(fā)展速率.根據(jù)孫立軍教授建立的瀝青路面使用性能衰變方程［11-12］，可以建立路面剩余壽命與路面損壞狀況指數(shù)PCI之間的關(guān)系.使用性能衰變方程如下式（1）：

式中：PCI為路面損壞狀況指數(shù)，PCI0為初始損壞狀況指數(shù)，y為路齡，α為壽命指數(shù)，β為形狀指數(shù)，h為瀝青層厚度（cm），ESAL為分布日標(biāo)準(zhǔn)軸次，l0為初始彎沉（0.01 mm），a、b、c、d為回歸系數(shù)，KrαKrβ為環(huán)境影響系數(shù)，KmαKmβ為瀝青影響系數(shù).

圖4　三種不同結(jié)構(gòu)的使用性能曲線(xiàn)Fig.4 The law of pavement performance of the three different structures

建立三種瀝青路面結(jié)構(gòu)使用性能衰變方程所采用的初始彎沉值如表2所示，所采用的分布日標(biāo)準(zhǔn)軸次為2006年廣東省國(guó)道G010的交通量數(shù)據(jù)35134次，根據(jù)式（1）所建立的三種路面結(jié)構(gòu)的性能曲線(xiàn)如圖4所示.由圖4可以看出，而三種路面結(jié)構(gòu)之間結(jié)構(gòu)A的PCI值下降速度最快，在路齡達(dá)到第五年的時(shí)候PCI值只有57.5，需要采取養(yǎng)護(hù)措施才可繼續(xù)保持較好的使用性能，而結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C的性能曲線(xiàn)十分接近，其使用性能衰變情況要優(yōu)于于結(jié)構(gòu)A，在路齡達(dá)到第五年的時(shí)候結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C的PCI值約在60.4左右.珠三角地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，高速公路上的交通量較大，超載重載現(xiàn)象十分嚴(yán)重，當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)形式無(wú)法很好地適應(yīng)交通水平，導(dǎo)致以上三種路面結(jié)構(gòu)的PCI值下降速度均比較快，在路齡達(dá)到第五年的時(shí)候PCI值就降低到了60左右，因此認(rèn)為在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要更好的考慮超載重載的情況.

3　三種路面結(jié)構(gòu)形式綜合評(píng)價(jià)

1）由以上分析可知，結(jié)構(gòu)A的基層彈性模量較小，在車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生的彎沉和瀝青層底壓應(yīng)力最大.此外通過(guò)圖4可知在同等的交通量情況下結(jié)構(gòu)A使用性能下降的最快.因此在同等的情況下，不推薦采用結(jié)構(gòu)A.

2）結(jié)構(gòu)B在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下產(chǎn)生的彎沉和瀝青層底壓應(yīng)力均比較小，瀝青層出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力值在三種路面結(jié)構(gòu)中也是最小的，其基層和底基層層底拉應(yīng)力略大于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)C.通過(guò)圖4可知在同等交通量情況下結(jié)構(gòu)B的使用性能衰變情況要優(yōu)于結(jié)構(gòu)A.在同等情況下以上三種路面結(jié)構(gòu)形式中可以?xún)?yōu)先選用結(jié)構(gòu)B.

3）結(jié)構(gòu)C在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下產(chǎn)生的彎沉和瀝青層底壓應(yīng)力與結(jié)構(gòu)B相差不大，但其瀝青層產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力要大于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B.結(jié)構(gòu)C的性能曲線(xiàn)變化趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)B十分相似，優(yōu)于結(jié)構(gòu)A.結(jié)構(gòu)C的主要缺點(diǎn)是由于產(chǎn)生的瀝青層最大剪應(yīng)力過(guò)大，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下可能會(huì)產(chǎn)生比結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B更嚴(yán)重的剪切變形和轍槽.

綜上所述，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)A在力學(xué)性能上劣于其他兩種結(jié)構(gòu)，因此不推薦使用.而結(jié)構(gòu)C由于在車(chē)輛荷載作用下可能會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的轍槽，在采用時(shí)建議使用高溫穩(wěn)定性較好的瀝青材料.結(jié)構(gòu)B在受力性能上優(yōu)于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B，但是在交通量較大的情況下其結(jié)構(gòu)行為曲線(xiàn)與其他兩種結(jié)構(gòu)一樣衰變的較快，建議在采用時(shí)更好的考慮超載重載的情況.

4　結(jié)語(yǔ)

在路面結(jié)構(gòu)方案的選擇時(shí)，層次分析法和模糊綜合評(píng)判法主要依賴(lài)專(zhuān)家的判斷來(lái)決定其評(píng)判結(jié)果，因此方案評(píng)判結(jié)果的可信度較低，而壽命周期費(fèi)用分析法往往從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)而未能考慮各種路面結(jié)構(gòu)使用性能的高低.本文從考慮使用性能的角度出發(fā)，結(jié)合不同路面結(jié)構(gòu)受力分析的結(jié)果以及各路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)行為曲線(xiàn)，對(duì)基于使用性能的路面結(jié)構(gòu)方案比選研究進(jìn)行了初步的探索.參考文獻(xiàn)：

［1］趙煥臣，許樹(shù)柏，和金生.層次分析法——一種簡(jiǎn)易的新決策方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

［2］張躍，鄒壽平，素芬.模糊數(shù)學(xué)方法及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

［3］許志鴻，劉志遠(yuǎn)，林曉.瀝青路面結(jié)構(gòu)方案的選擇-壽命周期費(fèi)用分析［J］.中外公路，2006，26（2）：67-70.

［4］劉黎萍，孫立軍.瀝青路面全壽命結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法概述［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（9）：1044-1048.

［5］曹志遠(yuǎn)，張起森.路面性能與壽命周期費(fèi)用分析［J］.中外公路，2006，26（6）：29-34.

［6］李峰，孫立軍，方伽利.考慮瀝青層模量梯度的路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分析［J］.交通科技，2005（4）：1-3.

［7］魏連雨，李新明，馬士賓，等.面層模量對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特性影響分析［J］.路基工程，2014（3）：41-45.

［8］JTGD50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［9］胡小弟，孫立軍.不同車(chē)型非均布輪載作用力對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響的三維有限元分析［J］.公路交通科技，2003（1）：1-5.

［10］胡小弟.輪胎接地壓力實(shí)測(cè)及瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.

［11］孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992：380-470.

［12］孫立軍，許志軍，陳子建.瀝青路面的行為函數(shù)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（5）：558-561.

責(zé)任編輯：時(shí) 凌

Performance-based Analysis of Asphalt Pavement Structure Selection

CAO Yuhang，LIU Jinghui，LI Zhequn
（College of Civil Engineering&Architecture，Three Gorges University，Yichang 443002，China）

It is a hard problem to recommend the best pavement structure when designing the asphalt pavement structure，for whether or not the mechanical property is good can affect the pavement performance.By using the finite element method we can get the force analysis of different kinds of pavement structure，and analyze the law of each pavement performance by the function of pavement.Thnough a comprehensive comparison of the force analysis and the law of pavement performance of each kind of pavement structure，we can find a feasible method on the performance-based pavement structure scheme selection.

finite element analysis；force analysis；pavement performance；structure scheme selection

U416.02

A

1008-8423（2015）04-0457-04DOI：10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.12.025

2015-10-21.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51378121）.

操宇航（1990-），男，碩士生，主要從事道路結(jié)構(gòu)方向的研究.