国省道养护预制装配式沥青路面结构方案力学分析与设计

彭勇均， 熊春龙

(1.佛山市交通运输事务中心， 广东 佛山 528000； 2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司， 广州 510640)

交通运输部《2018年全国收费公路统计公报》显示，截止到2018年末，我国公路里程达到484.65万公里，其中高速公路14.26万公里[1]。我国国省道公路的比例非常高，且国省道公路的在役服务时间大部分超过5年，路面处于养护维修阶段。

国省道公路相对于高速公路而言，国省道公路路面养护体量巨大，需要大量的碎石和沥青材料，但我国公路养护资源的配置通常向高速公路倾斜，国省道路面养护维修面临巨大的资源缺口[2-3]。另外，国省道公路路面因为线性条件不良和路面空间受限等原因，使路面养护施工存在较多困难，容易导致国省道路面养护施工质量无法达到设计预期，沥青路面出现反复破坏。开展国省道公路路面资源的集中利用及沥青路面结构的工厂化批量生产，是解决国省道路面养护资源匮乏和养护施工质量不良等问题的有效方法。

在国内外对装配路面研究成果的基础上[4-6]，针对国省道公路的路面养护，提出预制装配式沥青路面结构设计方案，装配式沥青路面结构具有如下优点：现场安装解决了热拌沥青混合料施工时间短的问题；可用于替换现有沥青面层，实现快速养护，循环利用；工厂化、标准化制作便于控制产品质量；可缩短路面养护交通封闭的时间。深入研究装配式沥青路面结构的力学行为及路面结构设计参数选择，将为国省道路面养护中装配式沥青路面结构的设计提供重要的基础理论支撑。

1 有限元参数设置

1.1 国省道公路预制装配式沥青路面结构

典型国省道公路路面结构包括路基，粒料或稳定粒料基层和上覆沥青面层或水泥混凝土面层。重点研究典型国省道沥青路面结构，提出预制装配式沥青路面结构：国省道原路面结构路基+原路面结构基层+预制沥青面层。预制的沥青面层在玻璃纤维增强刚性基板GFRP基板(Glass fiber reinforced plastic)[7-10]上分层摊铺施工，待温度降低至50 ℃以下，被切割成一定平面尺寸的预制单元块；预制单元块被运至现场，可在已处治完病害和施工完同步碎石封层后的原基层上直接拼装；沥青面层预制块的纵横向接缝采用乳化沥青灌缝后，即可开放交通，完成沥青面层的养护施工。国省道公路预制装配式沥青路面结构见图1。

图1 国省道预制装配式沥青路面结构

国省道预制装配式沥青路面结构层对应的弹性模量，泊松比和厚度等参数按经验取初始值，见表1。

表1 材料参数和结构层厚度

1.2 荷载参数设置

国省道公路货车占比大[11-12]。“东风”普通重型货车，空载120 KN，满载300 KN，该种车辆后轴轴载满载的时候为120 KN，前轮轴载为60 KN。选取“东风”普通重型货车的前轮单轮作为荷载，并采用矩形荷载形式，作用面积为0.17 m×0.25 m。

1.3 边界和层间接触条件设置

限制垂直边界方向的位移，土基底面固结，考虑到基层和路基的接触面距荷载较远，力学响应影响相对很小，因此为节约内存和简化计算，可将基层和路基之间设置为完全连续状态。沥青面层和GFRP基板的接触关系设为法向采用硬接触，接触后不允许分离，切向方向选用库伦摩擦模型，摩擦系数取0.5[13]。GFRP基板和基层的接触关系设为与面层GFRP基板之间的接触条件相同。采用六面体实体单元C3D8R[14-15]。

1.4 预制装配块间接触条件设置

典型的沥青路面面层是连续的，而装配式沥青路面的装配块之间是相互拼接粘连在一起的，预制装配块的拼接方式见图2。在有限元建模的时候，应充分考虑预制装配块之间的接触关系，中各预制装配块之间法向采用“硬接触”，水平方向接触采用库伦摩擦模型，摩擦系数取0.5。

图2 预制装配块拼接示意图

2 预制装配块平面尺寸分析

预制沥青路面由预制块装配而成，预制块的大小会影响预制路面的铺装施工。预制块平面尺寸越小，施工工序越多，过多的接缝处理还会降低路面平整度。预制块平面尺寸越大，其质量越大，进而增加在铺装过程中的施工难度。以宽度为8 m的国省道公路为对象进行研究，为了方便装配，减少预制模具等因素，对比研究了5 m×1 m，5 m×2 m，5 m×4 m三种平面尺寸。

通过有限元模拟分析装配式沥青路面结构的受力特性，得到5 m×1 m，5 m×2 m，5 m×4 m三种装配块平面尺寸的装配式沥青路面的力学响应输出。其计算结果见表2。

表2 不同装配块平面尺寸的路面结构力学响应结构汇总

分析表2结果可知，装配式沥青路面装配块的尺寸变化主要影响沥青面层底部最大拉应力和沥青表面弯沉值。沥青面层底部最大拉应力随着预制装配块平面尺寸增大的变化幅度最大，2 m×5 m和4 m×5 m装配板的面层底部最大拉应力相对1 m×5 m装配板的变化幅度分别达到18.9%和34.4%。2 m×5 m和4 m×5 m装配板的表面弯沉值相对1 m×5 m装配板变化幅度分别达到9.7%和33.5%。而沥青面层底部最大剪应力和土基顶面压应力几乎没有变化。以沥青面层底部最大拉应力和表面弯沉值作为装配块平面尺寸的控制因素时，装配块的最佳平面尺寸为5 m×1 m。

3 装配式沥青路面结构力学分析

在沥青面层预制装配块的平面尺寸参数确定之后，研究了国省道公路装配式沥青路面结构设计重要参数对路面结构力学性能的影响，以指导国省道公路装配式沥青路面的结构设计。

3.1 正交试验设计

选取沥青面层厚度、GFRP基板厚度、基层厚度、沥青面层模量和GFRP基板模量五个结构参数，进行五因素四水平L16(45) 正交试验设计。根据对国省道路面典型结构的已有研究[16-17]，确定沥青面厚度取值范围为10～16 cm，基层厚度取值范围为35～65 cm；考虑到经济原因和GFRP基板优良的力学性质，GFRP基板厚度一般在2～5 mm左右；沥青面层模量按经验范围1 200～1 600 MPa取值，GFRP基板模量按40～70 GPa取值，预制装配块平面尺寸为5 m×1 m。L16(45)正交试验因素和水平表见表3。

表3 L16(45) 正交试验因素和水平表

据上表，具体设计16个正交组合试验方案。正交试验方案见表4所示。

3.2 正交试验结果分析

根据16组试验方案的计算结果，采用极差分析法，分析各个因素对国省道公路预制装配式沥青路面结构力学性能影响大小的排序，见图3。

图3 不同力学性能对应的各因素极差序列

由图3可知，对沥青面层表面弯沉值而言，各因素的极差排序从大到小为基层厚度>GFRP基板厚度>GFRP基板模量>沥青面层模量>沥青面层厚。对于沥青面层底部最大拉应力，各因素的极差排序从大到小为沥青面层模量>基层厚度>GFRP基板厚度>沥青面层厚度>GFRP基板模量。对于沥青面层底部最大剪应力，各因素的极差排序从大到小为沥青面层厚度>沥青面层模量> GFRP基板厚度> GFRP基板模量>基层厚度。而对于路基顶面压应力，各因素的极差排序从大到小为基层厚度>GFRP基板厚度> GFRP基板模量>沥青面层模量>沥青面层厚度。

为路基装配式沥青路面结构设计提供具体参数选择依据，进一步明确装配式沥青路面结构力学响应指标随各个参数的变化规律，结果见图4。

图4 装配式沥青路面力学性能随各结构参数的变化规律

从图4(a)可以看出，沥青面层表面弯沉值与基层厚度、面层厚度及GFRP基板模量之间均表现为负相关，其中基层厚度的影响最为显著，路表弯沉值随面层厚度的变化幅度非常小。对于装配式沥青路面，增加基层厚度和基板模量，可以明显的提高路面整体承载能力。

从图4(b)可以看出，沥青面层底部最大拉应力与基层厚度、面层模量及基板模量之间具有较明显相关性，其中与面层模量表现为正相关，与基层厚度和基板模量表现为负相关。对于装配式沥青路面，增加基层厚度和基板模量或减小面层模量可以明显减小沥青面层底部最大拉应力值。另外，可发现当面层厚度超过12 cm后，面层厚度增大，沥青面层底部最大拉应力出现降低。

从图4(c)可以看出，沥青面层底部最大剪应力仅与面层模量和基板模量之间具有明显相关性，对于装配式沥青路面，当面层模量降低或基板模量增大时，沥青面层底部最大剪应力将明显减小。同样，发现当面层厚度大于12 cm后，沥青面层底部最大剪应力将随面层厚度增大而显著减小。

从图4(d)可以看出，路基顶面压应力与面层厚度、基层厚度及基板模量均呈负相关，但面层厚度的变化对路基顶面压应力影响不大。装配式沥青路面路基顶面压应力的减小，可通过增加基层厚度或增加基板模量实现。

4 预制装配式沥青路面结构防反射裂缝性能研究

沥青路面病害以横向和纵向裂缝为主要病害，横向裂缝占39%，纵向裂缝占21%[18]。装配式沥青路面设计必须考虑到基层开裂反射到装配式面层上来的问题，为此，采用ABAQUS对基层裂缝进行模拟，进行了基层带裂缝装配式沥青路面结构力学分析。

装配式沥青路面基层带裂缝路面结构力学分析的有限元模型设置如下图5所示。基层中部位置设置竖向裂缝，裂缝宽度分别取值0(无裂缝)、5、10、15和20 mm。基层选择为35 cm，沥青面层厚度为10 cm，装配式沥青面尺寸为5 m×1 m。

图5 基层带裂缝装配式沥青路面力学性能有限元模型

基层反射裂缝与沥青面层底面横向拉应力直接相关，选取沥青底面横向拉应力作为研究对象。经过计算后，得到不同裂缝宽度下，装配式沥青路面面层底部横向拉应力结果见表5。为了验证装配式沥青路面结构对基层反射裂缝的抵抗效果，同时分析了普通沥青路面结构基层带裂缝状况下沥青路面结构面层底部横向拉应力结果，其与装配式路面的结果比较如图6。

表5 装配式沥青路面基层带裂缝工作力学响应

图6 基层带裂缝装配式沥青路面与普通沥青路面面层底部横向拉应力比较

由表5和图6可知，在载荷作用下，基层完好的装配式沥青路面底面横向拉应力比普通沥青路面小约58%。在基层裂缝宽度逐渐发展扩大的过程中，装配式沥青路面底部拉应力的变化幅度不大，从基层裂缝为5 mm扩大到20 mm的过程中，装配式沥青路面底部拉应力仅增长了约7%。带裂缝工作状况下，普通沥青路面底部拉应力同样远大于装配式沥青路面，裂缝从0 mm扩大到5 mm，普通沥青路面底部拉应力增长了约19.7%，从5 mm扩大到20 mm，普通沥青路面底部拉应力增长幅度与装配式沥青路面相近。装配式沥青路面相较普通沥青路面结构，具有较好的抗反射裂缝的能力，其原因在于刚度非常高的GFRP基板起到了扩散荷载应力的作用，基层裂缝难以反射至沥青面层。

5 结论

通过上述分析，有如下结论：

受装配块平面尺寸影响最明显的是沥青面层底部最大拉应力，其次是表面弯沉值，沥青面层底部最大剪应力和土基顶面压应力所受影响最小。以沥青面层底部最大拉应力和表面弯沉值作为装配块平面尺寸的控制因素时，装配块的最佳平面尺寸为5 m×1 m。

对沥青面层表面弯沉值而言，各因素的影响程度排序为基层厚度>GFRP基板厚度>GFRP基板模量>沥青面层模量>沥青面层厚度。对于沥青面层底部最大拉应力，各因素的影响程度排序为沥青面层模量>基层厚度>GFRP基板厚度>沥青面层厚度>GFRP基板模量。对于沥青面层底部最大剪应力，各因素的影响程度排序为沥青面层厚度>沥青面层模量> GFRP基板厚度> GFRP基板模量>基层厚度。而对于土基顶面压应力，各因素的影响程度排序为基层厚度>GFRP基板厚度> GFRP基板模量>沥青面层模量>沥青面层厚度。

装配式沥青路面面层底部拉应力值约为普通沥青路面结构面层底部拉应力值的42%，装配式沥青路面扩散行车荷载的能力较强，具有优越的抗基层裂缝反射裂缝的能力。

通过仿真试验得到了装配式路面结构预制装配块的最佳平面尺寸，得到不同参数对路面力学响应影响程度大小排序和路面结构力学响应随不同因素变化的具体规律。参数合理化设计的国省道装配式沥青路面能改善路面结构受力状况，提高抗路面反射裂缝能力。

针对国省道公路普遍裂缝等病害的预制装配式沥青路面结构的推荐设计方案如下：16 cm 沥青面层(1 200 MPa)+2 mm GFRP基板(70 GPa)+65 cm 基层厚度+路基。