應(yīng)用于瀝青路面維修的半柔性功能組合層結(jié)構(gòu)合理性分析

姚新宇，劉 宇，朱云升，易 強(qiáng)

(1.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530001;2.廣西高速公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001;3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

1 概述

隨著國(guó)家高速公路建設(shè)高潮的減退，高速公路養(yǎng)護(hù)逐漸成為工程技術(shù)人員的關(guān)注重點(diǎn)。目前已有大量高速公路瀝青路面達(dá)到或接近設(shè)計(jì)使用壽命，而該路面中除了部分破損嚴(yán)重需大修外，大部分路面主要病害為抗滑衰減嚴(yán)重與車轍，此外在大交通量路段也同樣容易發(fā)生該類病害[1-2]。在傳統(tǒng)的路面養(yǎng)護(hù)維修方式中，處治這類問題時(shí)往往只會(huì)銑刨瀝青路面上、中面層并重新加鋪恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，由于多數(shù)路段實(shí)際交通量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)交通量，其修復(fù)后使用壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期，其效果并不理想。

抵御路面車轍和抗滑衰減等常見路面病害，進(jìn)一步提高路面使用壽命，是目前工程技術(shù)人員和學(xué)者的重點(diǎn)研究方向。 ZAREI[3]、SABOO[4]、趙國(guó)強(qiáng)[5]等在半柔性瀝青混合料制備、路用性能提升等進(jìn)行了研究，證實(shí)了其材料制備可行性及對(duì)穩(wěn)定度與耐久性的提升。楊平[6]、彭剛[7]等對(duì)水泥注漿瀝青混合料半柔性路面施工工藝進(jìn)行了探索，驗(yàn)證了其可行性。姚新宇[8]等對(duì)高溫重載下瀝青路面不同層位集料變異進(jìn)行了研究，證實(shí)了中面層在抵抗車轍上的重要作用。本文通過提出半柔性高模量瀝青混合料用于中面層提升抗車轍能力，加鋪超薄磨耗層提升路面抗滑與耐久性，綜合提升養(yǎng)護(hù)維修后路面使用壽命，并分析其應(yīng)力分布特征，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性。通過材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究對(duì)提升路面養(yǎng)護(hù)工程質(zhì)量具有重要意義。

2 結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

2.1 路面結(jié)構(gòu)

計(jì)算所采用的原路面結(jié)構(gòu)根據(jù)廣西濕熱地區(qū)某典型高速公路路面擬定，將原路面結(jié)構(gòu)上中面層銑刨后加鋪半柔性中面層與超薄抗滑磨耗層作為擬定新路面結(jié)構(gòu)，如表1所示。采用有限元軟件ANSYS單元SOLID45進(jìn)行離散處理，同時(shí)立方體4個(gè)側(cè)面的水平方向位移均約束，但允許垂直方向的位移,以及任意方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，立方體底部進(jìn)行完全約束，立方體上表面為自由面。因各瀝青結(jié)構(gòu)層之間的接觸條件是良好的，采用GLUE黏結(jié)和下層建立聯(lián)系；水穩(wěn)層與就下面層采用CANTA173接觸單元，根據(jù)有關(guān)研究成果可知，瀝青面層與半剛性基層之間的摩擦系數(shù)為0.399～0.829[9]，考慮所計(jì)算路段舊路下面層已與基層具有良好的黏結(jié)狀態(tài)，因此文中摩擦系數(shù)取值為0.82。

表1 銑刨上中面層恢復(fù)原結(jié)構(gòu)與加鋪新結(jié)構(gòu)對(duì)比表Table 1 Comparison between restoring the original upper middle layer and adding the new structure layer by milling原路面結(jié)構(gòu)新路面結(jié)構(gòu)層位厚度/cm類型層位厚度/cm類型上面層4AC-13C上面層2AC-8C中面層6AC-20C中面層8OGFC-20+灌注聚合物改性水泥漿下面層8AC-25C下面層8AC-25C基層40水泥穩(wěn)定碎石基層40水泥穩(wěn)定碎石墊層20級(jí)配碎石墊層20級(jí)配碎石

2.2 車輛荷載

用有限元進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，輪胎的接地形狀采用矩形，根據(jù)軸重的不同，輪寬范圍取22～24 cm，輪高取19.8～30.9 cm，輪胎的接地壓力用 Ikeda 給出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式得到[10]，對(duì)于不同軸載條件下的輪寬、輪高和胎壓如表2所示。

2.3 材料參數(shù)

瀝青混合料是一種黏彈性材料，具有較強(qiáng)的高溫敏感性，強(qiáng)度和模量都隨著溫度的升高而有明顯的降低。以廣西濕熱地區(qū)年有效平均氣溫26 ℃為例，計(jì)算瀝青路面各亞層內(nèi)平均溫度[11]。根據(jù)《瀝青路面強(qiáng)度變化規(guī)律及養(yǎng)護(hù)》[12]中的公式，計(jì)

表2 軸載與輪壓關(guān)系表Table 2 Material parameters and thickness of each layer軸重P/kN輪重P′/kNpi/MPap/MPa單輪輪寬a/cm單輪印高b/cm超載率/%100500.750.57422.019.8標(biāo)準(zhǔn)軸載160800.90.74224.222.5超載602001001.00.85824.324.5超載1002401201.050.95224.426.3超載1403001501.621.62324.530.9超載200

算高溫條件下瀝青結(jié)構(gòu)層模量。由于半柔性瀝青混合料與普通瀝青混合料在溫度影響下的模量變化不同，因此采用實(shí)測(cè)30 ℃、40 ℃下混合料彈性模量并線性內(nèi)插求值。其結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表3所示。

表3 各層材料參數(shù)與厚度Table 3 Material parameters and thickness of each layer層位厚度/cm各層平均修正溫度/℃20 ℃彈性模量E/MPa溫度修正彈性模量E/MPa泊松比υ上面層442.31 2006150.25中面層638.61 5008580.25原結(jié)構(gòu)下面層836.21 3007970.25水穩(wěn)基層40—2 5002 5000.2碎石墊層20—4004000.25土基— —50500.35上面層245.11 1005180.25中面層838.62 1162 0320.22新結(jié)構(gòu)下面層836.21 3007970.25水穩(wěn)基層40—2 5002 5000.2碎石墊層20—4004000.25土基— —50500.35

3 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 不同軸載下壓應(yīng)力

通過ANSYS計(jì)算在20 ℃恒定溫度條件下，原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)軸載分別超載40%、100%、160%、200%下的壓應(yīng)力。截取輪下橫向節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力，選取應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)，并截取該節(jié)點(diǎn)垂直向?yàn)r青路面不同深度壓應(yīng)力。經(jīng)計(jì)算，新結(jié)構(gòu)在路面深度下的壓應(yīng)力降幅比原結(jié)構(gòu)大，主要是因?yàn)榘肴嵝灾忻鎸幽Ａ枯^大提高了路面層結(jié)構(gòu)整體剛度，如圖1所示。

通過對(duì)比不同深度下新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力變化(如圖2)可知：在不同軸載下，在路面深度下9 cm左右，其壓應(yīng)力出現(xiàn)差值的峰值，相比原結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力分別降低2.7%、2.6%、2.3%、2.3%和2.0%。且壓應(yīng)力衰減較快的深度區(qū)域集中在路面下2～10 cm。因此有半柔性結(jié)構(gòu)層的新結(jié)構(gòu)在一定程度上分擔(dān)了其他面層的壓應(yīng)力，且該層剛度較大，此結(jié)構(gòu)層相比銑刨恢復(fù)的原結(jié)構(gòu)層更能有效抵御超載下路面發(fā)生的壓密型變形。

圖1 不同軸載下路面壓應(yīng)力分布Figure 1 Pavement compressive stress distribution under different coaxial loads

圖2 新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力差值Figure 2 Compressive stress difference between the new structure and the original structure

3.2 不同軸載下剪應(yīng)力(變)

通過ANSYS計(jì)算在20 ℃恒定溫度條件下，原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)軸載分別超載40%、100%、160%、200%下的剪應(yīng)力(變)。截取輪下橫向節(jié)點(diǎn)剪應(yīng)力(變)，選取應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)，并截取該節(jié)點(diǎn)垂直向?yàn)r青路面不同深度剪應(yīng)力(變)。經(jīng)計(jì)算，新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在不同軸載下剪應(yīng)力峰值均在路面深度5 cm處，如圖3、圖4所示。不同軸載下原結(jié)構(gòu)上面層剪應(yīng)力最大值占峰值比例分別為98.0%、98.4%、97.5%、97.5%、97.0%。不同軸載下新結(jié)構(gòu)上面層剪應(yīng)力最大值占峰值比例分別為75.6%、78.1%、76.8%、76.5%、75.5%；不同軸載下原結(jié)構(gòu)下面層剪應(yīng)力最大值占峰值比例分別為75.9%、78.0%、82.4%、82.4%、85.8%。不同軸載下新結(jié)構(gòu)下面層剪應(yīng)力最大值占峰值比例分別為69.0%、70.7%、74.8%、74.8，77.9%。數(shù)據(jù)對(duì)比可知新結(jié)構(gòu)2 cm+8 cm+6 cm，其中半柔性中面層發(fā)揮了更大的抵御剪切破壞作用。

圖3 原結(jié)構(gòu)不同軸載下剪應(yīng)力分布Figure 3 Shear stress distribution of original structure under different coaxial load

圖4 新結(jié)構(gòu)不同軸載下剪應(yīng)力分布Figure 4 Shear stress distribution of the new structure under different coaxial loads

通過對(duì)比原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)不同深度下剪應(yīng)力(變)差值變化如圖5、圖6所示。根據(jù)圖5可知，新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力分布上有較大變化。其中新結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力峰值大于原結(jié)構(gòu)，且在中層承擔(dān)了更大剪應(yīng)力，從而分擔(dān)了上、下面層的剪應(yīng)力負(fù)擔(dān)。

圖5 不同軸載下新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力差值Figure 5 Shear stress difference between the new structure and the original structure under different coaxial loads

圖6 不同軸載下新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變差值Figure 6 Shear strain difference between the new structure and the original structure under different coaxial loads

不同軸載下，新結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)上面層剪應(yīng)力最大值分別降低9.5%、10.9%、10.8%、10.8%和10.7%。中面層增長(zhǎng)8.3%、8.4%、8.7%、8.7%和8.9%。下面層降低2.7%、2.6%、2.3%、2.4%和1.9%。在剪應(yīng)變影響上，由于新結(jié)構(gòu)整體剛度的提高，新結(jié)構(gòu)上剪應(yīng)變均降低，如圖6所示。

3.3 高溫超載下剪應(yīng)力(變)

高溫條件下瀝青混合料彈性模量會(huì)發(fā)生較大變化，而對(duì)大孔隙瀝青混合料注入改性水泥漿體形成的半柔性混合料則具有較低的溫度敏感性。在高溫超載條件下，新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力差值如圖7所示。新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力分布上有較大變化；在高溫超載下，新結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)上面層剪應(yīng)力最大值分別降低25.4%、27.4%、27.1%。中面層增長(zhǎng)20.0%、20.8%、21.1%。下面層降低8.2%、5.7%、4.7%。

圖7 高溫超載下新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力差值Figure 7 Shear stress difference between the new structure and the original structure under high temperature overload

在剪應(yīng)變影響上，由于新結(jié)構(gòu)整體剛度的提高，新結(jié)構(gòu)上剪應(yīng)變均降低，如圖8、圖9所示。在高溫不同超載情況下，原結(jié)構(gòu)層深度內(nèi)剪應(yīng)變變化幅度(應(yīng)變最大值與最小值差)分別為3.22×10-4、4.11×10-4、7.42×10-4。新結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變變化幅度為1.23×10-4、1.90×10-4、4.02×10-4。因此新結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層深度內(nèi)剪切應(yīng)變幅度大幅減小，其結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性更優(yōu)異。

圖8 高溫超載下原結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變Figure 8 Shear strain of original structure under high temperature overload

圖9 高溫超載下新結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變Figure 9 Shear strain of new structure under high temperature overload

4 結(jié)論

a.在相同深度范圍內(nèi)新結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力小于原結(jié)構(gòu)，且相比于原結(jié)構(gòu)在2～10 cm深度范圍內(nèi)壓應(yīng)力隨深度衰減加快。

b.高溫和不同超載條件下，新結(jié)構(gòu)相比于原結(jié)構(gòu)中面層區(qū)域剪應(yīng)力增長(zhǎng)，上面層和下面層剪應(yīng)力下降，半柔性混合料在中面層可充分發(fā)揮抗剪切變形與破壞性能。

c.在高溫和不同超載條件下，新結(jié)構(gòu)層路面面層深度范圍內(nèi)剪應(yīng)變變化更小，其整個(gè)路面結(jié)構(gòu)層變形更協(xié)調(diào)。

d.采用銑原路面上中面層后加鋪8 cm半柔性中面層+2 cm超薄抗滑磨耗層的新結(jié)構(gòu)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的路面表面功能性的同時(shí)，充分發(fā)揮半柔性中面層抗車轍能力。其結(jié)構(gòu)與材料組合形式在路面銑刨修復(fù)養(yǎng)護(hù)工程中具有重要應(yīng)用價(jià)值。