半剛性基層瀝青路面疲勞壽命預(yù)估

近年來(lái)半剛性基層瀝青路面在我國(guó)應(yīng)用普遍。這種瀝青路面損壞發(fā)生的原因比較復(fù)雜，短期的損壞大多受施工的影響，較長(zhǎng)時(shí)間的損壞主要是車輛荷載作用下的疲勞損壞。JTGD 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》只給出了混合料的疲勞性能評(píng)價(jià)的相關(guān)方法，沒(méi)有關(guān)于路面結(jié)構(gòu)疲勞性能方面的論述，而國(guó)外路面設(shè)計(jì)方法中考慮了路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。借鑒國(guó)外疲勞壽命預(yù)估的方法，分析典型路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命對(duì)如何減少疲勞損壞及瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 瀝青路面疲勞壽命預(yù)估方法

半剛性基層瀝青路面疲勞損壞形態(tài)的多樣性和原因的復(fù)雜性，使得不同損壞狀態(tài)可能出現(xiàn)不同的使用壽命，因此瀝青路面的疲勞壽命預(yù)估就不可能采用一種預(yù)估模型，對(duì)一種路面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在綜合各預(yù)估壽命的基礎(chǔ)上，確定關(guān)鍵路面壽命預(yù)估指標(biāo)并對(duì)其壽命進(jìn)行預(yù)估。

1.1 瀝青層的疲勞

傳統(tǒng)路面設(shè)計(jì)，一般認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)變?cè)跒r青層層底，由于行車荷載的反復(fù)作用使得瀝青層首先開裂，進(jìn)而向上發(fā)展到瀝青表面層，表現(xiàn)為輪跡帶上的縱向開裂，一般以龜裂形式出現(xiàn)。因此，目前絕大多數(shù)設(shè)計(jì)方法采用瀝青疲勞方程是基于瀝青層底最大拉應(yīng)變來(lái)進(jìn)行瀝青混合料疲勞壽命的預(yù)估[1]。

在疲勞方程中，需要建立荷載重復(fù)作用次數(shù)與層底拉應(yīng)變的關(guān)系，根據(jù)層底拉應(yīng)變推算出瀝青層可承受的重復(fù)荷載作用次數(shù)。英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)瀝青層疲勞壽命的預(yù)估方法簡(jiǎn)單可行，本研究選用英國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范的疲勞方程

式中：Nf——控制疲勞開裂的路面壽命，次；

ε——瀝青層底拉應(yīng)變。

1.2 .半剛性基層的疲勞

半剛性材料具有剛度大、傳荷能力強(qiáng)、板體性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于半剛性路面不可避免的會(huì)出現(xiàn)開裂和反射裂縫等問(wèn)題，故應(yīng)該對(duì)半剛性材料層本身的疲勞性能進(jìn)行研究。

半剛性材料的疲勞壽命預(yù)估都采用拉應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行，其基本形式大同小異，只是在參數(shù)取值上有所差別，但差別也不是很大。AASHTO設(shè)計(jì)方法對(duì)半剛性基層的疲勞預(yù)估與實(shí)際情況最接近。

式中：Nf——軸載（每一種軸型下的軸重）的重復(fù)作用次數(shù)；

σt——半剛性基層底部的最大彎拉應(yīng)力，kN；

σr——28 d劈裂強(qiáng)度（彎拉強(qiáng)度），kN。

1.3 土基變形的疲勞

路面結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下，土基頂面將產(chǎn)生變形。如變形達(dá)到一定程度，將影響行車安全和舒適性，更嚴(yán)重的將直接導(dǎo)致面層開裂。因而，限制路面結(jié)構(gòu)變形是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求，同時(shí)也是評(píng)價(jià)路面長(zhǎng)期性能的重要因素，在路面壽命預(yù)估中也是一個(gè)重要的方面。

目前國(guó)內(nèi)外都采用土基頂面壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)壓應(yīng)變和荷載作用次數(shù)方程。根據(jù)土基頂面壓應(yīng)變估計(jì)的瀝青路面壽命模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，AI設(shè)計(jì)方法對(duì)永久變形的壽命預(yù)估與實(shí)際路面情況最接近，永久變形疲勞壽命預(yù)估選用AI設(shè)計(jì)方法。

式中：N——以土基變形為控制指標(biāo)的允許重復(fù)荷載作用次數(shù)；

εZ——土基頂面豎向最大壓應(yīng)變。

2 瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析

選取半剛性基層瀝青路面的典型結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，在彈性層狀體系理論基礎(chǔ)上，得出不同荷載作用下，半剛性基層瀝青路面的瀝青層底拉應(yīng)變、半剛性基層層底拉應(yīng)力和土基頂面壓應(yīng)變。見(jiàn)圖1。

圖1 典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)

2.1 有限元模型的建立

沿行車方向y取5 m，橫斷面方向x取5 m，深度方向z取6 m，采用八節(jié)點(diǎn)solid45模型。模型的位移邊界條件：左右兩側(cè)沒(méi)有x方向位移，前后兩側(cè)沒(méi)有y方向位移，底面沒(méi)有z方向位移，路面面層表面為自由面，不進(jìn)行任何約束；認(rèn)為層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)狀態(tài)。見(jiàn)圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 力學(xué)計(jì)算材料參數(shù)的選取

路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)參考文獻(xiàn)[2]，見(jiàn)表1。土基回彈模量取40 MPa，泊松比取0.35。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

2.3 不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大貨車和集裝箱車所占的比例逐年增加，公路上行駛貨車可能存在一定程度超載現(xiàn)象，分析中考慮不同荷載作用下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)。

車輛荷載特征值可以分為輪胎接地壓強(qiáng)、軸載大小和接地面積等，現(xiàn)行的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以彈性層狀體系為設(shè)計(jì)理論，將雙輪荷載簡(jiǎn)化成中心距為3倍當(dāng)量圓半徑的圓形荷載，未充分考慮不同軸載與輪胎接地壓強(qiáng)及接地面積的關(guān)系，這無(wú)疑會(huì)影響路面受力狀況的分析精度。本研究采用雙輪雙圓、圓中心距不變軸載，引入比利時(shí)方法中的輪載與胎壓、輪胎接地面積的經(jīng)驗(yàn)公式[3]，根據(jù)我國(guó)道路的實(shí)際情況進(jìn)行修正，不同荷載作用下輪胎接地壓強(qiáng)和當(dāng)量半徑見(jiàn)表2。

表2 軸重與輪壓、輪胎接地面積關(guān)系

不同軸載作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 碎石及礫石瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)

3 瀝青路面疲勞壽命預(yù)估

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算結(jié)果，代入疲勞壽命預(yù)估方程，得到不同荷載作用下，典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

3.1 瀝青層疲勞

各結(jié)構(gòu)疲勞壽命情況見(jiàn)圖3。

圖3 基于瀝青層疲勞的壽命預(yù)估

由圖3可以看出，荷載從100 kN增加到180 kN時(shí)，路面疲勞壽命從2.39×109次減小到1.90×108次。

3.2 半剛性基層疲勞

各結(jié)構(gòu)疲勞壽命情況見(jiàn)圖4。

圖4 基于半剛性基層的壽命預(yù)估

由圖4可以看出，荷載從100 kN增加到180 kN時(shí)，路面疲勞壽命從1.40×109次減小到1.56×107次。

3.3 永久變形

各結(jié)構(gòu)疲勞壽命情況見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，隨著荷載的增加，疲勞壽命不斷減小。標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，路面疲勞壽命可達(dá)3.57×109次，當(dāng)荷載增加到180 kN時(shí)，路面疲勞壽命降低到1.48×109次。

圖5 基于土基變形的壽命預(yù)估

4 結(jié)論

1）隨著荷載的增加，瀝青層疲勞壽命、半剛性基層疲勞壽命和土基變形疲勞壽命的均減小。

2）荷載大小相同時(shí)，土基變形疲勞壽命＞瀝青層疲勞壽命＞半剛性基層疲勞壽命，路面結(jié)構(gòu)的總壽命可根據(jù)半剛性基層疲勞壽命確定。