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摘要：

為分析比較半剛性基層、組合式基層和倒裝式基層3中典型路面結(jié)構(gòu)在重載作用下的疲勞壽命，本文基于ABAQUS有限元程序，建立了三種典型路面結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算了典型路面結(jié)構(gòu)在重載作用下的力學(xué)響應(yīng)，評(píng)價(jià)了三種路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能和疲勞壽命，同時(shí)根據(jù)各路面結(jié)構(gòu)基層層厚對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，得出了級(jí)配碎石和大粒徑透水材料(LSPM)的合理厚度。結(jié)果表明級(jí)配碎石基層和大孔徑透水材料(LSPM)基層比傳統(tǒng)半剛性基層擁有更好的抗疲勞開裂性能。級(jí)配碎石基層的合理厚度為15~18 cm，LSPM的厚度不應(yīng)超過(guò)15 cm瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞：典型路面結(jié)構(gòu)，半剛性基層，疲勞壽命，數(shù)值模擬，合理厚度

1 引言

半剛性基層瀝青路面是我國(guó)高等級(jí)公路普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，這種路面結(jié)構(gòu)具有板體性好，承載能力高的優(yōu)點(diǎn)，但易出現(xiàn)反射裂縫和水損壞[1]-[6]。探索多樣化瀝青路面結(jié)構(gòu)形式迫在眉睫。經(jīng)過(guò)近十年的嘗試，我國(guó)高等級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)逐漸形成了以江蘇為代表的軟土地基處理后的半剛性瀝青路面、以山東為代表的半剛性基層上加鋪瀝青混凝土的組合式基層瀝青路面、以附件為代表的半剛性基層是哪個(gè)加鋪級(jí)配碎石的瀝青路面[6]-[12]。總體來(lái)看，對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)形式的研究，大多只是針對(duì)一種路面結(jié)構(gòu)組合，對(duì)于新涌現(xiàn)的組合式基層、倒裝式基層結(jié)構(gòu)關(guān)注較少。不同瀝青路面結(jié)構(gòu)形式在重載作用下的疲勞壽命分析和比較有待于豐富。

本文基于我國(guó)高等級(jí)公路三種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，建立了有限元模型，分析了重載作用下不同路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，并采用 FE-SAFE 程序進(jìn)行了疲勞壽命技術(shù)，評(píng)價(jià)了基層厚度對(duì)路面疲勞壽命的影響，提出了基層合理厚度范圍。

2. 典型路面結(jié)構(gòu)及模型概況

2.1. 典型路面結(jié)構(gòu)

我國(guó)當(dāng)前高等級(jí)公路典型路面結(jié)構(gòu)形式如表 1 所示。結(jié)構(gòu) 1 代表江蘇省采用穩(wěn)定材料的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu) 2 代表福建省采用集約化基礎(chǔ)的路面結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu) 3 代表山東省采用LSPM 層的路面結(jié)構(gòu)。

2.2. 模型概況

三種路面結(jié)構(gòu)有限元模型邊界條件設(shè)定為：模型底部?jī)H可發(fā)生垂直方向位移，模型兩側(cè)被約束，不發(fā)生位移。ABAQUS 模型中定義的輪胎與路面接觸形狀為矩形，每個(gè)矩形尺寸為 20 m*16 cm，考慮到我國(guó)軸載不斷增大的現(xiàn)狀，加載力大小為每軸 180 kN，路面結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

在建立的有限元模型中計(jì)算重載作用下各結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入 FE-SAFE 程序進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，分析各結(jié)構(gòu)不同層位的疲勞壽命以及對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的貢獻(xiàn)程度，分析基層厚度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。

3. 計(jì)算結(jié)果分析

3.1. 三種路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

結(jié)構(gòu)一疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如圖 2 所示。

圖 2、圖 3 和圖 4 的數(shù)據(jù)表明，使用穩(wěn)定材料(CTB、LAA 或 LAS)的半剛性基層對(duì)典型路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命貢獻(xiàn)最大(42.23%)，其次是結(jié)構(gòu) 3 (30.2%)和結(jié)構(gòu) 2 (28.83%)。路面瀝青層由于具有防止反射裂縫發(fā)展的能力，可以在路面結(jié)構(gòu)中承擔(dān)更多的疲勞壽命，從而延長(zhǎng)疲勞壽命。考慮到表層瀝青層對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的貢獻(xiàn)最小(57.77%)，而結(jié)構(gòu) 3 (69.8%)和結(jié)構(gòu) 2 (71.77%)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命貢獻(xiàn)最小，可以推斷瀝青層的抗裂性能在結(jié)構(gòu) 1 中最不發(fā)達(dá)。

圖 3 表明，GM 層的存在改變了各層對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的貢獻(xiàn)分布，盡管 GM 層本身對(duì)疲勞壽命沒有任何貢獻(xiàn)。同時(shí)，ATB 在結(jié)構(gòu)的疲勞壽命中占 34.48%。這是因?yàn)?ATB 層與其下方的 GM 層相結(jié)合，有利于抵抗路面結(jié)構(gòu)的反射裂縫。此外，數(shù)據(jù)還表明，反射裂紋的傳播速度隨反射裂紋從基層向表層的增長(zhǎng)而減慢。這是因?yàn)楦鲗硬牧蠎?yīng)力的降低和抗疲勞性能的提高。

由圖 4 可以看出，盡管 LSPM 層只占結(jié)構(gòu) 3 疲勞壽命的 0.4%，但與結(jié)構(gòu) 2 (36.69%)相比，表面瀝青層(SMA13、AC20 和 AC25)的疲勞壽命增加(69.39%)。在結(jié)構(gòu) 3 中，當(dāng)反射裂紋穿過(guò) LSPM 層時(shí)，結(jié)構(gòu)3 頂部的壓縮應(yīng)力和底部的拉應(yīng)力減小。

圖 2、圖 3 和圖 4 的表明，結(jié)構(gòu) 1 的厚度最大(74 cm)，疲勞壽命最短(1322034)，而結(jié)構(gòu) 3 的厚度最小(68 cm)，疲勞壽命最長(zhǎng)(2958627)。結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu) 2)和 LSPM (結(jié)構(gòu) 3)比傳統(tǒng)的穩(wěn)定材料半剛性基層(結(jié)構(gòu) 1)具有更好的抗反射開裂性能。如果能謹(jǐn)慎地確定這些層的厚度，則聚集基或 LSPM 等不同層的組合在延長(zhǎng)疲勞壽命方面可能會(huì)有更好的效果。

3.2. 結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)三種路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響分析

面層厚度和基層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)一疲勞壽命的影響分別如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5~6 表明，結(jié)構(gòu) 1 的疲勞壽命隨半剛性基層厚度的增加而增加。當(dāng)厚度達(dá)到 36~38 cm 時(shí)，隨著厚度的增加，疲勞壽命略有下降。這意味著增加半剛性基層厚度并不能保證結(jié)構(gòu)疲勞壽命的提高。同時(shí)，隨著瀝青表層厚度的增加，疲勞壽命逐漸提高。通過(guò)增加瀝青表面層厚度，延長(zhǎng)了產(chǎn)生反射裂縫的途徑。表面層具有良好的抗裂性能。

ATB 和 GM 層厚度對(duì)結(jié)構(gòu) 2 疲勞壽命的影響分別見圖 7~8。

圖8清楚地表明，當(dāng)使用更厚的 ATB 層時(shí)，疲勞壽命增加。研究還表明，當(dāng) GM 層厚度小于 15 cm時(shí)，結(jié)構(gòu) 2 的疲勞壽命顯著增加。當(dāng)厚度達(dá)到 15~18 cm 時(shí)，疲勞壽命增加緩慢。GM 層是結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分。雖然它對(duì)疲勞沒有貢獻(xiàn)，但它對(duì)從下到上快速發(fā)展的反射裂縫有間接影響。它能有效地傳播來(lái)自路面結(jié)構(gòu)表面的交通荷載引起的應(yīng)力。然而，盡管增加 GM 層厚度可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，但由于 GM層模數(shù)相對(duì)較小，也會(huì)導(dǎo)致 ATB 層的疲勞應(yīng)變較大。這就是當(dāng) GM 厚度為 15~18 cm 時(shí)，結(jié)構(gòu) 2 的疲勞壽命停止增長(zhǎng)的原因。因此，建議 GM 層的適宜厚度為 15~18 cm。

圖 9 顯示了 LSPM 層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。

在圖 9 中示出了當(dāng)使用較厚的 LSPM 層時(shí)結(jié)構(gòu) 3 的疲勞壽命增加。這與結(jié)構(gòu) 2 中的 GM 的趨勢(shì)相似。

然而，當(dāng) LSPM 的厚度達(dá)到 15 cm 時(shí)，結(jié)構(gòu) 3 的疲勞壽命的增加會(huì)減慢。LSPM 層是結(jié)構(gòu) 3 中的“應(yīng)力吸收層”。其相對(duì)較低的模量導(dǎo)致與 LSPM 層接觸的其它層中的疲勞壽命的升高。盡管 LSPM 層本身在結(jié)構(gòu) 3 的疲勞壽命中的貢獻(xiàn)很小(0.4%)，但與結(jié)構(gòu) 1 (分別為 57.75%和 1.46%)相比，結(jié)構(gòu) 3 中表面瀝青層(69.39%)和底基層(LAS) (7.41%)的疲勞壽命的比例顯著增加。這種現(xiàn)象可以解釋如下：從整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的預(yù)期來(lái)看，與在表面瀝青層和半剛性基層中使用的材料相比，LSPM 層具有較小的模量。從頂部到底部的壓縮應(yīng)力和從底部到頂部的拉伸應(yīng)力可在穿過(guò) LSPM 層時(shí)被傳播，就像 GM 層所做的一樣。從應(yīng)力集中的角度看，當(dāng)反射裂縫通過(guò) LSPM 層顯影時(shí)，裂紋邊緣處的應(yīng)力集中的不一致會(huì)導(dǎo)致反射裂縫傳播的更多時(shí)間和路徑。這可以間接延長(zhǎng)結(jié)構(gòu) 3 的疲勞壽命。

在確定合適的 LSPM 厚度范圍時(shí)仍未確定。雖然 LSPM 層厚度的增加有利于抗反射裂縫的產(chǎn)生，但也可能導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能的退化。從圖 7 中可以看出，LSPM 在結(jié)構(gòu)中的厚度不應(yīng)大于 15 cm。

4. 結(jié)論

1) 建立了三種典型路面結(jié)構(gòu)的 ABAQUS 有限元模型和有限元安全疲勞模型。通過(guò)計(jì)算三種路面結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)和層厚與疲勞壽命的關(guān)系，比較了三種路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

2) 三種典型路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命比較表明，集料基層和 LSPM 基層在抗反射裂縫方面比普通半剛性基層更有利。同時(shí)，在路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置合適的層位比單純?cè)黾訉雍窀苡行У靥岣呗访娴目沽研阅堋?/p>

3) GM 層和材料層對(duì)結(jié)構(gòu) 2 疲勞壽命的影響表明，GM 層的合適厚度范圍為 15~18 cm。LSPM 層對(duì)結(jié)構(gòu) 3 疲勞壽命的影響表明，增加 LSPM 的厚度對(duì)于抗反射裂縫具有有效的作用LSPM 層厚度不大于15 cm。

基金項(xiàng)目

本文受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFB1600100)、山東省自然科學(xué)基金 ZR2020QE271 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019GSF109020, 019GGX101042)資助。