基于实际温度场的沥青路面结构力学响应分析

赵 国 军

(中电建路桥集团重庆分公司，重庆 400700)

1 概述

传统的半刚性基层具有较高的强度、刚度以及承载能力，被广泛应用到高速公路建设中，但是由于半刚性基层易产生裂缝，反射到沥青路面路表处，造成沥青路面结构性破坏，缩短路面使用寿命，因此，国内沥青路面结构形式由之前的单一半刚性基层朝多元化发展。目前柔性基层沥青路面和组合式基层沥青路面逐渐被推广应用到工程实践中，但由于半刚性基层、柔性基层、组合式基层沥青路面采用不同的基层结构，其路面使用性能及耐久性与传统结构路面也有所不同，路面发生破坏的类型、位置等有不同之处，有研究指出，柔性基层沥青路面破坏主要以疲劳裂缝为主，属于功能性破坏，半刚性基层沥青路面破坏主要以反射裂缝为主，属于结构性破坏，柔性基层沥青路面抗疲劳性能和耐久性能优于半刚性基层路面，组合式基层路面性能介于中间。正是基层结构有差异导致路面的设计指标、承载能力及服务性能也有差异。因此，迫切需要掌握不同基层类型路面在不同条件下的力学响应状态，来指导路面设计及施工。再者由于传统的力学响应计算采用的材料模量是采用推荐的常温计算而来，计算结果不具有代表性，与沥青路面实际力学指标变化不匹配[1-3]。

基于此，为了掌握不同基层结构沥青路面全过程应力发展状态，实现对沥青路面全时段状态的有效监测，利用BISAR软件，从沥青路面设计指标压应力、剪应力、拉应变多个角度分析，为使得分析结果具有现场指导意义，本文选取实测温度计算的模量参数进行三种结构的力学响应分析。研究成果可为养护时机的选择和沥青路面设计提供技术支撑。

2 路面结构方案及参数

2.1三类路面结构方案

对比分析半刚性基层、柔性基层和组合式基层三种类型的路面结构内部力学响应，所选取的三种路面结构总厚度均为76 cm，其中面层结构均为18 cm，如表1所示。

表1 三种路面结构类型

各层材料的动态模量根据新版沥青路面设计规范中的推荐值范围进行取值，如表2所示，动态模量取值条件为20 ℃，10 Hz[3]。标准条件和超载条件下模量参数均采用表2中的。

表2 材料参数

2.2荷载在进行力学响应分析时，荷载参数选择时分别考虑了正常应力水平、高应力水平和极端应力水平，因此，荷载水平分别取100 kN,130 kN(超载30%)和100 kN(超载100%)。

3 实际温度场的获取和计算

本文为了获得更加贴近现场的沥青路面实际力学响应变化规律，根据当地气温数据采用经典回归模型计算路表及不同深度的实际温度，采用实测温度计算模量参数。

基于高速公路所处地理位置的历年每个月气温数据，采用Huber提出的反映纬度、气温和路表温度之间关系的经典回归模型(式(1))计算路表最高温度，并由此计算路面某一深度处的最高温度，如式(2)所示。

TS=Ta+0.006 18Lat2+0.228 9Lat+24.4

(1)

其中，TS为路表最高温度，℃;Ta为最高气温，℃；Lat为纬度，(°)。

Td(max)=(TS(max)+17.78)(1-2.48×10-3d+
1.085×10-5d2-2.441×10-8d3)-17.78

(2)

其中，Td(max)为路面特定深度处的最高温度，℃；TS(max)为路表最高温度，℃；d为距离路表的深度，mm。

该高速公路所处地区纬度为32.03°，根据该地区历年每个月的平均温度数据计算每个月各层混合料的实际温度结果如表3所示(各层温度取中心点的温度，即上中下面层的温度分别取距离路表2 cm，8 cm和16 cm的位置)。

表3 不同层位的温度 ℃

根据实际温度场计算的温度值，利用动态模量主曲线(式(3))计算路面各结构层相对应的模量值，结果见表4。

(3)

其中，Emin为拟合的动态模量最小值，MPa；Emax为拟合的动态模量最大值，MPa；a，b均为描述Sigmodal函数的形状因子；fr为缩减频率,Hz。

表4 高温条件材料参数取值

4 压应力

4.1超载条件

根据相关研究，沥青路面结构层中竖向压应力最大值出现在轮胎正下方，本文取轮胎正下方，即(0，159.8)的位置计算压应力[4]，三种路面结构在标准荷载、30%和100%超载条件下的压应力随深度分布计算结果见图1～图3。

结果表明：各基层结构类型路面压应力最大值均出现在路表处，为0.7 MPa，随着深度增加压应力逐渐减小，至路基顶面几乎为零。三种路面结构面层不同深度范围内的压应力基本相当，变化范围在0.2 MPa～0.7 MPa之间，基层不同深度范围内的柔性基层压应力相对较小，半刚性基层与组合式基层基本相当，变化范围均在0.2 MPa以内。

4.2超载+高温条件

三种路面结构在超载30%+高温和超载100%+高温条件下的压应力计算结果如图4所示。

结果表明：

1)在超载+高温条件下，不同结构各层的压应力出现不同程度的增长，且增长幅度随深度的增加而增大。

2)半刚性基层和组合式基层压应力在20 cm以内(即沥青层内)增长迅速，增幅增大为50%左右，随着深度的增加，压应力增幅逐渐趋于稳定，半刚性基层为55%～58%之间，组合式基层为62%～72%之间。

3)柔性基层压应力在48 cm以内始终保持增加，最大增幅达到了164%，而后出现了一定衰减。

由此说明，温度的增加影响了柔性基层材料的模量，从而导致路面受力状态的变化，而半刚性基层采用无机结合料，材料模量受温度影响较小，对于沥青层以下的压应力影响基本不变。

5 剪应力

5.1超载条件

根据相关研究，剪应力最大值出现在行车方向轮胎正前(后)方110 mm的位置，本文取轮胎正前方0.11 m的位置计算剪应力，三种路面结构在标准荷载、30%和100%超载条件下的剪应力随深度分布计算结果如图5～图7所示。

结果表明：

1)三种路面结构的剪应力变化规律基本相当，最大值出现在路表下2 cm位置；

2)随着荷载的增加，不同深度的剪应力结果分别增加了30%和100%，半刚性基层、柔性基层和组合式基层的最大剪应力位置均出现在路表下2 cm位置。

5.2超载+高温条件

三种路面结构在超载30%+高温和超载100%+高温条件下的剪应力计算结果如图8所示。

结果表明：相对于超载条件，在增加高温条件下，不同结构各层的剪应力出现了先减小后增大的规律，并随着深度的增加，减小幅度逐渐降低，增大幅度逐渐增大，剪应力出现增加的位置均为路表下18 cm。由此可见，高温对沥青层材料模量的影响导致了面层内部剪应力的减小，基层内部剪应力的增加。

6 拉应变

6.1超载条件

根据相关研究，基层层底拉应力最大值出现在行车方向轮迹中心点位置，本文取轮胎中心正下方，即(0，0)的位置计算拉应变，三种路面结构不同位置水平拉应变在标准荷载、30%和100%超载条件下的计算结果如图9所示。

结果表明：

1)不同层位中，底基层底水平拉应变最大，三种路面结构的底基层拉应变大小基本相当，在12 με～13 με之间；基层底的水平拉应变中，柔性基层最小为4.94 με，半刚性基层与组合式基层相当，为9.03 με左右；下面层底的水平拉应变基本相当，约5.3 με～5.8 με之间。由此可见，底基层底产生开裂的风险相对较大，另外，柔性基层具有一定的抗裂性能。

2)三种路面结构的不同层位水平拉应变均随着荷载的增加而增大，其中，底基层拉应变仍最大，达到了25 με左右。半刚性基层和组合式基层的拉应变大小依次为底基层>基层>下面层，柔性基层的拉应变大小依次为底基层>下面层>基层。

6.2超载+高温条件

三种路面结构在超载30%+高温和超载100%+高温条件下的水平拉应变应力计算结果如图10，图11所示。

结果表明，半刚性基层下面层底应变小于0，处于受压状态，其余结构层的应变大于0，均处于受拉状态。组合式基层下面层底和柔性基层底的应变增幅最大，柔性基层下面层底和基层底增幅相对较小。

7 结语

本文针对半刚性基层和柔性基层、组合式基层三种结构类型，采用实测温度场和材料模量参数，通过理论计算分析沥青路面关键力学指标在不同条件下的变化规律，主要结论如下：

1)在超载+高温条件下，不同结构各层的压应力出现不同程度的增长，且增长幅度随深度的增加而增大，柔性基层路面压应力增幅最大约164%，半刚性基层路面增幅最大约55%，组合式基层路面增幅最大约65%，柔性基层材料模量受温度影响较大，导致路面受力变化幅度较大，而半刚性基层材料模量受温度影响较小，对于沥青层以下的压应力影响基本不变[5]；

2)半刚性基层、柔性基层和组合式基层路面结构压应力最大值均出现在路表处，最大剪应力位置均出现在路表下2 cm位置；

3)标准条件下，三种基层路面结构底基层底拉应变均为约25 με，产生开裂的风险相对较大；超载和高温下增加了开裂风险，相比半刚性基层和组合式基层，柔性基层路面结构面层具有较优的抗裂性能，但是底基层拉应变最大达到约67 με，底基层开裂风险增加；

4)在超载和高温条件下，半刚性基层下面层底处于受压状态，其余结构层均处于受拉状态。组合式基层下面层底和柔性基层底的应变增幅最大，柔性基层下面层底和基层底增幅相对较小。