傅愛蓉

（江西贛東路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 撫州 344000）

0 引言

我國疆土遼闊，資源豐富，不同地域自然氣候和水文地質(zhì)各不相同，我國北方地區(qū)由于交通量較大且年溫度變化幅度較大，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)不同程度的破壞，而高模量瀝青混合料具有較好路用性能，可以有效增強(qiáng)路面強(qiáng)度和承載能力，延長道路使用年限[1]。因此，該文通過ABAQUS有限元軟件分析瀝青混合料模量為6 000 MPa、7 000 MPa、8 000 MPa、9 000 MPa、10 000 MPa時(shí)，對(duì)層底等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，確定最佳瀝青混合料模量，并分析高速公路高模量瀝青路面施工工藝，對(duì)高模量瀝青路面層施工工藝研究和推廣具有重要意義[1]。

1 工程概況

某高速公路位于平原地段，對(duì)該路段調(diào)查發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)亟煌枯^大且存在較多重載貨車通行，對(duì)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目路段現(xiàn)場晝夜溫差較大，夏季一天溫差超過20 ℃，且雨季時(shí)降雨量較大。為保證項(xiàng)目路段具有較好的路用性能，因此采用高模量瀝青混合料進(jìn)行施工，瀝青混合料模量過高時(shí)，不會(huì)再繼續(xù)延緩路面裂縫產(chǎn)生，只會(huì)增加施工成本。

2 高模量瀝青混合料面層應(yīng)力分析

2.1 有限元建模

瀝青模量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致瀝青面層出現(xiàn)裂縫等病害，瀝青混合料模量過大時(shí)，會(huì)造成施工成本過大。為確定瀝青路面最佳模量[2]，該文采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.1.1 模型尺寸與網(wǎng)格劃分

為更好地模擬高模量瀝青路面，該文采用瀝青混合料面層長度2 m、寬度1.5 m、厚度為12 cm，水泥穩(wěn)定碎石基層長度2 m、寬度1.5 m、厚度22 cm，級(jí)配碎石底基層長度2 m、寬度1.5 m、厚度18 cm。參照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，確定面層各基層寬度、厚度及彈性模量、泊松比等參數(shù)，如表1所示。

表1 瀝青路面材料參數(shù)

采用有限元軟件對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格化加密處理。網(wǎng)格劃分過粗，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度達(dá)不到要求，網(wǎng)格劃分過密，會(huì)加大工作量。因此，須根據(jù)研究需要，合理地進(jìn)行網(wǎng)格劃分。道路中間施加車輛荷載位置處網(wǎng)格數(shù)量較密，道路兩邊較粗，最終網(wǎng)格劃分結(jié)果為高模量瀝青層結(jié)構(gòu)劃分7 500個(gè)網(wǎng)格，水泥穩(wěn)定碎石基層和級(jí)配碎石底基層9 500個(gè)網(wǎng)格，有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)模型圖

2.1.2 荷載與邊界條件

行車荷載根據(jù)《公路瀝青路面規(guī)范》（JTG D50—2017）要求，輪胎內(nèi)壓為0.7 MPa，轉(zhuǎn)換公式如下所示：

式中，L——行車方向矩形長度；A——車輪與路面接觸面積，單軸雙輪矩形荷載作用區(qū)域圖如圖2所示。

圖2 單軸雙輪矩形荷載作用區(qū)域圖

瀝青路面結(jié)構(gòu)模型邊界條件為：底基層正下方邊界條件設(shè)置為完全固定：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，底基層及瀝青面層四周邊界條件設(shè)置為完全固定：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。瀝青路面結(jié)構(gòu)荷載及邊界條件圖如圖3所示。

圖3 瀝青路面結(jié)構(gòu)荷載及邊界條件圖

2.2 面層模量對(duì)層底應(yīng)力響應(yīng)分析

為研究不同瀝青混合料模量對(duì)瀝青面層層底應(yīng)力響應(yīng)，該文采用有限元軟件模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)，設(shè)置瀝青混合料模量為6 000 MPa、7 000 MPa、8 000 MPa、9 000 MPa、10 000 MPa，并計(jì)算瀝青面層層底等效應(yīng)力σe、最大主應(yīng)力σ1及最大剪應(yīng)力τmax，瀝青混合料模量為6 000 MPa時(shí)層底等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力如圖4～6所示。

圖4 層底等效應(yīng)力應(yīng)力云圖

圖5 層底最大剪應(yīng)力應(yīng)力云圖

圖6 層底最大剪應(yīng)力應(yīng)力云圖

為研究瀝青混合料面層層底三大應(yīng)力之間的關(guān)系，設(shè)置分析步時(shí)間為1 s，三大應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，瀝青路面結(jié)構(gòu)施加荷載在1 s分析步時(shí)間內(nèi)，三大應(yīng)力隨時(shí)間增加逐漸增大，在1 s時(shí)等效應(yīng)力達(dá)到最大值0.47 MPa，最大主應(yīng)力達(dá)到最大值0.31 MPa，最大剪應(yīng)力達(dá)到最大值0.51 a，不難看出1 s分析步時(shí)間內(nèi)，最大剪應(yīng)力高于最大主應(yīng)力高于等效應(yīng)力。

圖7 三大應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系圖

為研究瀝青層模量對(duì)層底應(yīng)力響應(yīng)，瀝青層模量從6 000 MPa增加到10 000 MPa時(shí)，瀝青層層底三大應(yīng)力有限元模擬結(jié)果如表2所示，瀝青層模量與應(yīng)力關(guān)系如圖8所示。

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果表

圖8 瀝青層模量與應(yīng)力關(guān)系圖

由圖8可知，瀝青層層底三大應(yīng)力隨著瀝青層模量值的增加逐漸減小，最大主應(yīng)力減小率分別為6.45%、10.34%、3.85%、8.00%，最大主應(yīng)力減小率變化幅度差異性較大。對(duì)瀝青層模量與層底最大主應(yīng)力進(jìn)行線性擬合分析可得：y=-0.021x+0.533、R2=0.958 7，兩者呈線性變化趨勢(shì)。

等效應(yīng)力減小率分別為2.13%、4.45%、2.33%、4.88%，由此可知，瀝青層模量變化對(duì)等效應(yīng)力變化幅度影響較小，說明高模量瀝青面層具有較好的強(qiáng)度，施加車輛荷載，層底應(yīng)力值不會(huì)大于材料的屈服應(yīng)力值，面層不會(huì)發(fā)生橫向開裂等病害。對(duì)瀝青層模量與層底等效應(yīng)力進(jìn)行線性擬合分析可得：y=-0.015x+0.487、R2=0.986 8，兩者呈線性變化趨勢(shì)。

最大剪應(yīng)力減小率分別為3.92%、2.04%、8.33%、2.21%，由此可知，瀝青層模量從9 000 MPa增加到10 000 MPa時(shí)，最大剪應(yīng)力變化較小。這是因?yàn)闉r青層模量增加不會(huì)延緩應(yīng)力從基層擴(kuò)散到面層，豎向應(yīng)力變化較小再增加瀝青層模量只會(huì)增加施工成本。因此結(jié)合瀝青層模量與層底應(yīng)力響應(yīng)可知，該項(xiàng)目工程高模量瀝青混凝土面層最佳模量為9 000 MPa。

3 施工工藝

3.1 施工前準(zhǔn)備工作

高速公路高模量瀝青混凝土面層施工前需要進(jìn)行清掃工作，保證工作面無多余雜質(zhì)，為確保項(xiàng)目施工過程中施工人員的安全，需要提前對(duì)施工路段進(jìn)行封閉。工程施工前還需提前檢查機(jī)械設(shè)備，保證機(jī)械設(shè)備無損壞，有損壞需要及時(shí)更換，儀器使用過程中不得出現(xiàn)問題[3]。

該項(xiàng)目工程高模量瀝青混凝土面層通過ABAQUS確定最佳模量為9 000 MPa，還需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備高模量瀝青混合料馬歇爾試件，對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足要求才能投入工程使用。

3.2 拌和與運(yùn)輸

高模量瀝青混合料面層材料需要滿足且由于規(guī)范要求，對(duì)瀝青、集料和礦粉等原材料進(jìn)行檢測(cè)，滿足要求才能投入使用。該項(xiàng)目工程瀝青采用80號(hào)基質(zhì)瀝青，集料采用玄武巖，油石比為5.5%。廠拌瀝青混合料在攪拌倉內(nèi)溫度不得高于180 ℃、不得低于150 ℃[3]。

運(yùn)輸過程中做好保溫工作，運(yùn)輸車內(nèi)溫度不得低于140 ℃，運(yùn)輸車駕駛時(shí)控制駕駛速度，防止車輛行駛過程中出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎等問題。

3.3 攤鋪與壓實(shí)

攤鋪過程中攤鋪機(jī)運(yùn)行速度控制在3 km/h，不得出現(xiàn)中途停車、掉頭等情況，應(yīng)保證瀝青混合料攤鋪均勻[4]。

高模量瀝青混合料壓實(shí)施工時(shí)，為保證瀝青混合料強(qiáng)度與壓實(shí)度滿足要求，初壓遍數(shù)為2～3遍為佳，復(fù)壓遍數(shù)為4～6遍為佳，終壓遍數(shù)為2～4遍為佳[4]。

4 結(jié)語

為提高高速公路瀝青路面使用性能和使用年限，該工程采用高模量瀝青混合料作為面層，通過有限元軟件模擬不同瀝青混合料模量對(duì)層底力學(xué)響應(yīng)，并結(jié)合實(shí)際瀝青路面施工，得到如下結(jié)論：

（1）瀝青混合料模量從6 000 MPa增加到10 000 MPa，瀝青層層底應(yīng)力逐漸減小。

（2）通過ABAQUS分析最佳瀝青混合料模量為9 000 MPa。

（3）高模量瀝青混合料路面施工后，具有良好的施工質(zhì)量。