基于力學(xué)響應(yīng)的全厚式高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)組合及優(yōu)化

徐希忠， 韋金城， 張曉萌， 陳婷婷

(1.山東省交通科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250102； 2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(濟(jì)南)， 濟(jì)南 250102)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，中國(guó)交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化,車(chē)輛設(shè)計(jì)和汽車(chē)輪胎不斷推陳出新，運(yùn)輸車(chē)輛朝大型化、拖掛化與集裝箱方向發(fā)展。重型車(chē)輛不僅在數(shù)量上急劇增加，其總質(zhì)量與軸載質(zhì)量也屢創(chuàng)新高，重載交通作用下，使得瀝青路面早期損壞嚴(yán)重，給瀝青路面結(jié)構(gòu)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對(duì)瀝青路面材料亦提出了更高要求。

按照中國(guó)公路建設(shè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，瀝青路面結(jié)構(gòu)總厚度通常在70 cm以上，然而隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)保的日益重視，砂石料開(kāi)采受到限制，導(dǎo)致公路建設(shè)原材料嚴(yán)重缺乏，不僅嚴(yán)重影響公路建設(shè)進(jìn)度，也極大地提高了路面工程造價(jià)。全厚式耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)相比，路面總體厚度具有可減薄30 cm以上的潛力，而且其結(jié)構(gòu)使用壽命可超過(guò)35年，在節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低全壽命周期成本等方面優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)，歐美各國(guó)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)形式做了大量調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)多種瀝青結(jié)構(gòu)形式中，精心施工的全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)病害為非結(jié)構(gòu)性損壞，可長(zhǎng)期保持良好使用性能。

大量研究表明，最初在法國(guó)提出的高模量瀝青混凝土EME應(yīng)用超過(guò)了20年，其實(shí)現(xiàn)途徑主要包括采用硬質(zhì)瀝青、添加高模量改性劑、添加巖瀝青等，相比于添加劑法，采用硬質(zhì)瀝青質(zhì)量較容易控制，且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯[1-2]。硬質(zhì)瀝青是指25 ℃針入度小于25/10的瀝青膠結(jié)料，主要特點(diǎn)為針入度小、黏度大，與礦料拌和后產(chǎn)生高模量瀝青混凝土，可大幅度緩解瀝青路面車(chē)轍，提升結(jié)構(gòu)性能[3-4]。文獻(xiàn)表明，硬質(zhì)瀝青混合料綜合性能優(yōu)良，可用于瀝青路面結(jié)構(gòu)提升層[5-6]。硬質(zhì)瀝青混合料有以上優(yōu)勢(shì)，在中外道路工程中得到了廣泛應(yīng)用，包括高模量瀝青混凝土用于道路和機(jī)場(chǎng)鋪面[7-9]，用于城市道路交叉口與長(zhǎng)大縱坡中預(yù)防車(chē)轍[10-11]。

對(duì)于全厚式瀝青路面，Marshall 等[12]在考慮瀝青混合料疲勞閾值的前提下，論述了在實(shí)際力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法熱拌瀝青混合料(mechanics-experience hot-mix with asphalt mixture，M-E-HMA)全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)中考慮熱拌瀝青混合料疲勞壽命極限(hot-mix with asphalt mixture fatigue endurance limit，HMA-FEL)的各種方法，并提出采用程序進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。Zhang等[13]采用目測(cè)和紅外圖像采集的方式研究了全厚式瀝青路面施工過(guò)程中黏土球產(chǎn)生狀況，發(fā)現(xiàn)紅外圖像采集系統(tǒng)適合于黏土球的檢測(cè)，且路面結(jié)構(gòu)中黏土球呈橢圓形，直徑為2.5～10 cm，最大黏土球深度幾乎貫穿整個(gè)表面。李濤等[14]研究了兩種全厚式瀝青路面和半剛性基層瀝青路面的受力特點(diǎn)、力學(xué)響應(yīng)特征，并應(yīng)用M-EPDG程序?qū)θN瀝青路面進(jìn)行了永久變形預(yù)估，結(jié)果表明全厚式瀝青路面整體結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，對(duì)提升路面整體試驗(yàn)壽命具有明顯的優(yōu)勢(shì)。沈孔健[15]運(yùn)用彈性層狀體系理論，以土基壓應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)，分析探討了不同胎壓及軸重下軸載換算指數(shù)，結(jié)果表明軸重對(duì)土基壓應(yīng)變影響較大。

然而，關(guān)于高模量瀝青混凝土在全厚式瀝青路面中的適應(yīng)性及合理層位設(shè)置的研究還鮮有報(bào)道，關(guān)于其組合優(yōu)化的研究更是少之又少。

基于此，為明確高模量瀝青混凝土應(yīng)用于全厚式瀝青路面對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，進(jìn)而確定高模量瀝青混凝土在全厚式瀝青路面合理層位設(shè)置，依托沾臨高速實(shí)體工程，基于山東省典型全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用法國(guó)路面結(jié)構(gòu)分析軟件LCPC Alize[16]中力學(xué)計(jì)算模塊，分析瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的差異，確定高模量瀝青混凝土合理層位，隨后采用正交試驗(yàn)，確定全厚式高模量瀝青路面的力學(xué)指標(biāo)影響因素，并驗(yàn)證層位設(shè)置的合理性，研究成果可豐富中國(guó)路面結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步推廣應(yīng)用高模量瀝青混凝土，提升全厚式瀝青路面的耐久性。

1 高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)及參數(shù)獲取

1.1 試驗(yàn)材料

依托沾臨高速試驗(yàn)路工程，集料選用螺獅山石灰?guī)r，瀝青膠結(jié)料采用國(guó)產(chǎn)15#硬質(zhì)瀝青，其基本指標(biāo)如表1所示。選取EME-14(連續(xù))、EME-14(間斷)、EME-20三種級(jí)配為研究級(jí)配，級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表1 15#硬質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 硬質(zhì)瀝青混合料級(jí)配

1.2 高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)

將試驗(yàn)材料用于室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)使用高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)參考法國(guó)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，設(shè)計(jì)結(jié)果及要求如表3所示。

表3 高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取

本文中采用上述設(shè)計(jì)的高模量瀝青混凝土，中國(guó)現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D50—2017[17]中明確提出采用單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量作為瀝青層材料參數(shù)，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。為了更好地促進(jìn)高模量瀝青混合料在中國(guó)的應(yīng)用， 又可與新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)接，本文中高模量瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量取值均采用20 ℃、10 Hz條件下單軸壓縮模量，經(jīng)實(shí)測(cè)高模量瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)條件下的動(dòng)態(tài)模量為16 000 MPa。

2 路面結(jié)構(gòu)與計(jì)算方案

2.1 路面結(jié)構(gòu)

依托沾臨高速實(shí)體工程，基于山東省典型全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)，本文中采用的路面結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

圖1 典型全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical full thickness asphalt pavement structure

表4 計(jì)算采用典型全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 荷載模型

基于彈性層狀理論體系設(shè)計(jì)柔性路面時(shí)，荷載模型必須是軸對(duì)稱(chēng)的， 即輪載與路面的接觸面積為圓形，并假定接觸壓力在圓形范圍內(nèi)均勻分布，其大小與輪胎胎壓相等。雖然，實(shí)際輪載與路面的接觸形狀并非標(biāo)準(zhǔn)圓形，但由于計(jì)算采用荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載，因而產(chǎn)生的誤差非常小，可以滿(mǎn)足工程需求。

本文中選取車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為最不利狀態(tài)進(jìn)行分析，以證明高模量瀝青混合料用于全厚式瀝青路面對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的改善，將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為靜態(tài)荷載，荷載參考中國(guó)現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范取定，荷載P圖示如圖2所示。

圖2 力學(xué)響應(yīng)計(jì)算荷載圖示Fig.2 Load diagram of mechanical response calculation

2.3 力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)選定

當(dāng)前，采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法的基本思路構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系是路面設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)所在，一般采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型及材料參數(shù)確定關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，參考國(guó)際上幾個(gè)代表性國(guó)家瀝青路面設(shè)計(jì)方法，采用表5中力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)，開(kāi)展高模量瀝青混凝土路面力學(xué)響應(yīng)分析。

表5 關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)

2.4 計(jì)算方案

為明確高模量瀝青混合料在全厚式瀝青路面中合理層位，擬定6種工況，即典型全厚式瀝青路面和分別將高模量瀝青混合料用于下面層、基層、底基層、 基層+底基層、下面層+底基層，分別計(jì)算6種工況下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，以確定高模量瀝青混合料的合理層位設(shè)置。

3 高模量瀝青混凝土合理層位設(shè)置

3.1 剪應(yīng)力

圖3所示為荷載作用6種工況下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向剪應(yīng)力在內(nèi)側(cè)輪載中心處沿深度方向變化情況；圖4所示為6種工況下剪應(yīng)力改善率情況。

由圖3和圖4可知，6種工況條件下，路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力最大值均位于上面層底部(距路表40 mm)，工況二條件下剪應(yīng)力最大，這是由于下面層高模量瀝青混合料的設(shè)置，下面層模量增大，使得剪應(yīng)力增大，工況六同樣在下面層設(shè)置了高模量瀝青混合料層，但由于底基層中也設(shè)置了高模量瀝青混凝土層，使得結(jié)構(gòu)受力更加合理，最大剪應(yīng)力反而比其他工況都要小，改善率達(dá)到22.3%。

圖3 6種工況下剪應(yīng)力沿深度方向分布Fig. 3 Distribution of shear stress along depth under six working conditions

圖4 6種工況下剪應(yīng)力改善率Fig.4 Shear stress improvement rate working under six conditions

3.2 荷載中心點(diǎn)彎沉

根據(jù)分析結(jié)果，圖5所示為6種工況條件下路表彎沉響應(yīng)規(guī)律及改善率。

由圖5可知，6種工況條件下，含高模量瀝青混凝土層的結(jié)構(gòu)彎沉響應(yīng)均小于不含的結(jié)構(gòu)，由于放置層位不同，改善率有所差異，位于下面層及底基層時(shí)改善率最大，達(dá)到5.9%。

圖5 輪隙中心點(diǎn)彎沉響應(yīng)及改善率Fig.5 Deflection response and improvement rate of center point of wheel gap

3.3 瀝青層層底拉應(yīng)變

圖6所示為荷載作用6種工況下路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)變沿深度方向分布，圖7所示為各工況下拉應(yīng)變改善率。

圖6 六種工況下彎拉應(yīng)變沿深度分布Fig.6 Distribution of bending tensile strain under six working conditions

圖7 六種工況下彎拉應(yīng)變改善率Fig.7 Improvement rate of bending tensile along depth stress under six working conditions

由圖6和圖7可知6種工況條件下，瀝青路面結(jié)構(gòu)最大彎拉應(yīng)變均發(fā)生于瀝青層層底，彎拉應(yīng)變沿深度方分布規(guī)律并不一致，高模量瀝青混合料層的設(shè)置，均使路面瀝青層層底最大彎拉應(yīng)變減小，只是由于設(shè)置層位的不同，使得彎拉應(yīng)變減小幅度有所不同，其中，工況六的瀝青層層底彎拉應(yīng)變最小，改善率達(dá)到26.4%，從理論角度說(shuō)明，高模量瀝青混合料用于下面層和底基層對(duì)彎拉應(yīng)變改善作用最大。

3.4 路基頂面壓應(yīng)變

6種工況條件下路基壓應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律及改善率如圖8所示。

由圖8可知，六種工況條件下，含高模量瀝青混凝土層的結(jié)構(gòu)土基壓應(yīng)變響應(yīng)均小于不含的結(jié)構(gòu)，由于放置層位不同，改善率有所差異，位于下面層及底基層時(shí)改善率最大，達(dá)到22.75%。

圖8 六種工況下土基壓應(yīng)變響應(yīng)及改善率Fig.8 Response and improvement rate of soil foundation under six working conditions

4 各層模量的影響

如前所述，高模量瀝青混合料層為位于下面層和底基層為最為合理。 為分析各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)全厚式高模量瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的影響，擬定計(jì)算方案如表6所示的計(jì)算方案，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表6 不同模量水平計(jì)算方案

表7 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表7計(jì)算結(jié)果，并分析各類(lèi)因素極差，結(jié)果如表8和表9、圖9與圖10所示。

表8 瀝青層層拉應(yīng)變極差計(jì)算結(jié)果

表9 土基頂部壓應(yīng)變極差計(jì)算結(jié)果

圖9 瀝青層層底彎拉應(yīng)變極差分析結(jié)果Fig. 9 Analysis results of bottom bending strain on top of soil foundation

圖10 土基頂部壓應(yīng)變極差分析Fig.10 Range analysis of compressive strain tensile range of asphalt layer

從圖9可以看出，各層模量對(duì)瀝青層層底彎拉應(yīng)變值的影響程度依次為：路基模量>疲勞層模量>底基層模量>下面層模量>上面層模量>基層模量?？梢?jiàn)路基模量、疲勞層模量、底基層模量、下面層模量對(duì)瀝青層層底彎拉應(yīng)變值有顯著影響。由圖10可見(jiàn)，各層模量對(duì)路基頂面壓應(yīng)變的影響程度依次為：路基模量>疲勞層模量>下面層模量>上面層模量>基層模量>底基層模量。綜合分析圖9和圖10，可見(jiàn)土基模量對(duì)于瀝青層底彎拉應(yīng)變值及土基頂面壓應(yīng)變值影響最大，因此，全厚式高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)對(duì)于土基剛度要求比較高；對(duì)于疲勞層，其作為功能層，大部分采用細(xì)級(jí)配和富瀝青含量，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中應(yīng)注重保證其剛度，底基層和下面模量對(duì)于其彎拉應(yīng)變和土基壓應(yīng)變也有較大影響，此處，也證明了高模量瀝青混合料設(shè)置于下面層和基層的合理性。綜上分析，可采取提升土基模量(對(duì)路基進(jìn)行特別設(shè)計(jì))、使用高模量瀝青混合料、采用富瀝青疲勞層等技術(shù)手段來(lái)改善瀝青路面結(jié)構(gòu)性能，以此來(lái)獲得耐久性瀝青路面。

5 結(jié)論

(1)6種工況條件下，路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力最大值均位于上面層底部(距路表40 mm)，工況二條件下剪應(yīng)力最大，工況六最大剪應(yīng)力反而比其他工況都要小，改善率最大，達(dá)到了22.3%。

(2)6種工況條件下，瀝青路面結(jié)構(gòu)最大彎拉應(yīng)變均發(fā)生于瀝青層層底，彎拉應(yīng)變沿深度方分布規(guī)律并不一致，其中工況六的瀝青層層底彎拉應(yīng)變最小，改善率達(dá)到26.4%。

(3)6種工況條件下，含高模量瀝青混凝土層的結(jié)構(gòu)彎沉、土基壓應(yīng)變響應(yīng)均小于不含的結(jié)構(gòu)，最大改善率分別達(dá)到了5.9%和22.75%。

(4)從理論角度分析，要降低路表彎沉、減小瀝青層層底彎拉應(yīng)變及路基頂部壓應(yīng)變、降低上面層底部剪應(yīng)力，在下面層和底基層設(shè)置高模量瀝青混凝土層合理。

(5)經(jīng)正交試驗(yàn)，極差分析得出，高模量瀝青混凝土層設(shè)置于下面層及底基層是合理的，可以通過(guò)提升路基模量、采用高模量瀝青混合料、設(shè)置抗疲勞層來(lái)獲得耐久性瀝青路面。