高速公路沥青路面不同结构层应力分析

刘志华,尹 聪,刘明茜,曾庆伟,臧国帅,凌 聪

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

为研究高速公路长寿命沥青路面结构类型,以弹性层状体系理论为基础,采用BISAR 3.0计算软件,通过对比不同面层厚度及不同结构层模量下沥青路面结构的力学响应规律,为天津高速公路长寿命试验路方案设计及方案比选提供较为准确、可靠的参考,同时也为长寿命沥青路面结构型式的拓展提供借鉴。

李芸等[1]基于云罗高速公路长寿命试验路,分析了半刚性基层、刚性基层和柔性基层沥青路面的三维应力分布特征。结果表明,通过增加面层模量和厚度,适当增加基层模量和土基模量,可以优化沥青路面的结构应力,但基层模量不宜过高。

李浩等[2]采用Ansys有限元软件进行受力计算,结果表明,与传统的半刚性基层相比,碾压混凝土的温度收缩系数更小,相同条件下的温度应力降低40%,抗裂性更好。

吕良宏[3]通过有限元计算和理论分析,对比分析了两种不同沥青路面结构——半刚性基层和柔性基层的力学特性,并从理论上解释了柔性基层如何提高沥青路面的力学特性。

张志清等[4]通过建立三维有限元模型,模拟了轨道交通进出公交港时路面结构的变速移动荷载。数值分析结果表明,在车辆制动过程中,路面的垂直位移和层间剪应力增加,路面结构层的剪应力交替变化;在动荷载作用下,沥青结构层中最大剪应力的位置发生变化,最易发生剪切破坏的部位是沥青面层和面层与基层之间的接缝;进站加速度的增加使路面层间剪应力显著增加,竖向位移略有增加。

黄磊等[5]介绍了半刚性基层的定义和特点,阐述了半刚性沥青路面各结构层的作用,利用BISAR软件分析了各结构层应力,探讨了半刚性路面的合理厚度。

傅珍等[6]等采用BISAR软件,分析了干线公路沥青路面结构层参数的影响,并得出面层底部及基层底部应力与厚度有关,当厚度增加时应力逐渐变小;面层底部及基层底部应力与动态压缩模量有关,当动态压缩模量增加时,应力逐渐变大。

在之前研究基础上,通过对比天津不同高速公路路面结构层厚度和动态压缩模量的变化,对竖向应力和横、纵向应力的影响,并根据计算结果,推荐天津市高速公路典型路面结构和厚度,为天津市新的高速公路路基路面设计时,提供数据支撑。

1 方案

1.1 天津高速公路路面结构层现状

1.1.1 路面结构类型与基本情况

天津高速公路结构层面层在2000年前后的建设探索期沥青层材料主要为AC类或AK类材料,基层为水泥稳定碎石或二灰碎石材料,底基层为石灰土;到了2005年前后的技术发展期沥青层材料面层材料包含了AC/AK/SUP三种形式,由单层改性向双层改性发展,面层材料厚度也有所增加;2015年前后的技术提升期路面结构类型较为稳定,沥青层结构稳定为改性AC-13+改性AC-20+ATB-25/30结构。

基层厚度在近些年基层厚度也逐渐增厚,从最初的15～16 cm到现在的22～23 cm;材料类型主要由二灰碎石、水泥稳定碎石等构成,为半刚性基层,半刚性基层材料具有较高的抗压强度和抗弯拉强度以及较强的荷载分布能力和稳定的路面弯沉值,而且半刚性基层的抗压和抗弯拉强度都随龄期的增加而不断增强。

1.1.2 荷载情况

图1列举了天津市2020年高速公路多条高速日均车流量及货车占比。

图1 2020年天津市高速公路日均车流量及货车占比

由图1可知,天津市高速公路在2020年车辆荷载等级总体来看较重。在选取的15条高速公路中,其中5条高速公路为特重荷载等级类型,5条高速为重型荷载等级类型,重型及以上荷载等级类型占比达66.7%。基于此情况,有必要对天津市已有高速公路路面结构层类型和厚度进行计算,推荐出较为合理的路面结构类型与厚度。

1.2 模型建立

将路面结构作为一种多层弹性体系,面层材料假设为粒式沥青混凝土,动态压缩模量根据不同路面结构层材料查表确定。半刚性基层假设为二灰碎石、水泥稳定碎石等材料,动态压缩模量和厚度根据高速公路实际情况进行确定;底基层假设为石灰土、二灰土等,动态压缩模量和厚度根据高速公路实际情况进行确定。

采用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)推荐的双圆均布荷载,单轮接地当量圆半径为0.106 5 m,两轮中心间距0.319 5 m,荷载压力0.707 MPa,单轮设计轴载25 kN,轮胎接地压强0.70 MPa,路面结构力学响应计算采用BISAR 3.0软件进行线弹性计算。

1.3 典型高速选取

以选取的四条高速公路为基础,对比分析不同结构层厚度、不同结构层类型下的应力变化,结构层厚度、类型、动态压缩模量和泊松比如表1～表4所示。

表1 滨保高速结构层类型及厚度

表2 津石高速结构层类型及厚度

表3 京哈高速结构层类型及厚度

表4 长深高速结构层类型及厚度

2 应力计算结果

2.1 竖向应力

根据BISAR 3.0软件,将单轮接地当量圆半径为0.106 5 m,两轮中心间距0.319 5 m,荷载压力0.707 MPa,单轮设计轴载25 kN,轮胎接地压强0.70 MPa基础数据,以及结构层厚度、模量等数据再次输入,得到竖向应力值结果,如表5所示。

表5 不同高速路面结构层竖向应力值

当层位深度为0即路面时,不同高速路面结构的竖向压应力值均为-0.701 6 MPa;并且可以明显看出各高速路面结构竖向应力由面层转至基层时,竖向应力值增加速率显著提升。另外根据不同高速路面结构层总厚度变化趋势可知,当总厚度越高时,传递至土基层上的竖向应力越小,例如长深高速路面结构类型一总厚度达96 cm,其达到土基上的竖向应力为-0.001 829 MPa,滨保高速路面结构达 79 cm,其达到土基上的竖向应力为-0.002 342 MPa,竖向应力下降了21.9%;而仅在面层时,下面层竖向应力值与厚度呈现不规则变化,这是由于结构层动态压缩模量的不同导致,例如津石高速和长深高速结构类型一下面层选用了泡沫冷再生混合料,动态压缩模量为5 000 MPa,远低于AC、ATB、AK等类型混合料,因此导致不规则变化,并且可知,混合料动态压缩模量值的大小对混合料竖向应力值影响效果大于厚度。

再由对比京哈高速路面结构类型一和结构类型二可知,两种结构层总厚度均为84 cm,而京哈高速结构类型二面层厚度为19 cm高于结构2的16 cm,基层厚度低于结构类型一的68 cm,但对比土基上层竖向应力可知,结构类型二的最底层应力低于结构类型一,表明面层厚度对竖向应力的作用效果高于基层厚度的影响,同样长深高速也呈现此变化趋势。

2.2 横、纵向应力

根据BISAR 3.0的计算结果,横向应力变化如表6所示。

表6 不同高速路面结构层横向应力值

根据BISAR 3.0的计算结果,纵向应力变化如表7所示。

表7 不同高速路面结构层纵向应力值

不同高速横、纵向应力值在面层层位时均<0,在基层时横向应力值>0,表明横向应力值在面层和基层时,应力值大小出现显著变化。对比京哈高速结构类型一和京哈高速结构类型二,面层厚度增加后,各层横纵向应力均减小。对比滨保高速和津石高速可知,当增加基层厚度时,基层各层横向、纵向应力均发生减少趋势。

由长深高速结构类型一和结构类型二对比可知,长深高速结构类型一面层中选用了泡沫沥青混合料其动态压缩模量远低于AC、AK、ATB等沥青混合料,因此长深高速面层厚度为28 cm高于长深高速24 cm,其横向、纵向应力值低于结构类型二。

由上述结论可知,上基层模量增加,下面层层底由拉应力转化为压应力,而上基层底由压应力转化为较大的拉应力,其他层底应力变化不显著。可见适当增加上基层模量对改善面层底应力状态有利,可以缓解因面层抗拉不足而出现的早期裂缝病害,但过大的基层模量会造成该层底拉应力过大而出现疲劳破坏。

随着面层厚度的不断增加,各结构层层底弯沉逐渐减小,但变化趋势不大;沥青面层层底的弯沉较基层以及底基层层底弯沉偏小。由此可知,虽然可以通过增加沥青面层厚度来减小路面结构的弯沉,但每增加2 cm,各结构层层底的弯沉减小不大,而且沥青面层厚度的增加会导致车辙病害的发生。将路面弯沉控制在设计弯沉以内,总体上可以保证路面结构的稳定性。同时又考虑到,适当增加沥青面层厚度可以增加沥青路面的低温抗裂性,所以,在进行半刚性基层沥青路面设计时,要综合考虑两个因素来决定沥青面层的合理厚度。

3 结 论

根据BISAR 3.0软件计算天津市不同高速路面结构下的竖向、横向、纵向应力结果可知。

(1)在面层时,下面层竖向应力值与厚度呈现不规则变化,这是由于结构层动态压缩模量的不同导致;在基层时,当总厚度越高时,传递至土基层上的竖向应力越小,如长深高速路面结构高于滨保高速公路,但竖向应力下降了21.9%。

(2)在各层动态压缩模量相似时。对于面层来说,面层厚度增加后,各层面层层底横、纵向应力均减小;当增加基层厚度时,基层各层横向、纵向应力均发生减少趋势。

(3)各结构层动态压缩模量值对应力的影响大于结构层厚度的影响。

(4)根据结果,推荐在新的高速公路路基路面设计时,选用滨保高速公路及津石高速公路路面结构类型及厚度。