王春红
（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230011）
1 引言
经过30 余年的探索与实践，安徽省针对高速公路早期损坏问题，在路面结构形式、原材料控制、配合比设计、“四新”技术的研发和引进等方面均开展了课题研究和工程应用，基本消除了坑槽、车辙等早期病害，路面通行质量和通行效率不断提升。据调查，目前高速公路主要病害以裂缝为主，约占病害总数的70%以上。尤其是随着经济和社会的快速发展，高速公路交通总量和重载车辆不断增多，路面因重载导致疲劳开裂的问题逐渐凸显，约占路面裂缝总数的1/3。解决沥青路面疲劳开裂成为提高路面耐久性的首要问题。其中，沥青路面高模量化是改善沥青路面性能的有效途径和发展方向之一[1]，即通过提高材料模量来减小路面应变，从而减轻路面疲劳开裂，延长路面使用寿命。高模量沥青混合料的制备有多个途径，如掺加高模量剂、岩沥青、湖沥青、使用低标号沥青等，其中掺加高模量剂是最直接、最方便的一种方式。
20世纪80年代，法国提出主要用高模量沥青混合料作为承重层或基层使用[2]。国内关于高模量沥青混合料的研究主要集中在材料性能和制备工艺上，在应用层位、典型结构方面的研究相对较少。本文通过数学建模进行力学分析，研究高模量沥青混合料在不同路面结构类型中的适用层位，并通过铺筑试验段对研究成果进行论证。
2 高模量沥青混合料应用层位
目前安徽省高速公路结构类型仍以半刚性基层沥青路面为主，同时结合路面结构病害类型，应积极探索其他长寿命路面结构在安徽省的适用性。2019年，在G3京台高速公路安徽段改扩建工程中，采用表1 中的两种结构铺筑了试验段，试验段全长约7.371km。其中，路面结构一为试验路所在项目结构类型，也是高速公路改扩建时拼宽车道典型的半刚性基层结构。路面结构二主要借鉴福建省应用较为成功的倒装结构，并在此基础上进行优化确定。
表1 力学分析用路面结构类型
为研究高模量沥青混合料在以上两种结构的适用层位，本文采用ANSYS 有限元分析软件，通过建立三维有限元模型对不同结构组合下的路面结构受力情况进行分析，有限元模型加载情况如图1 所示。力学指标主要包括各结构层底拉应力和不同深度下的剪应力。
图1 有限元模型加载情况
各结构层材料参数取值如表2 所示。
表2 有限元计算结构材料参数
2.1 半刚性基层结构力学分析
路面结构一的层底拉应力和剪应力情况如图2、图3 所示。从受力情况来看，沥青混合料各结构层均处于受压状态，作为和荷载直接接触的上面层，所受压应力最大。随着深度的增加，水泥稳定基层受力逐渐由压应力过渡为拉应力。剪应力方面，随着路面深度的增加，剪应力先增大后减小，在路表面以下10cm 处剪应力最大，是最容易发生剪切破坏的位置。因此，从上述受力特点来看，半刚性结构沥青面层以压应力为主，其弯拉风险相对较小。而中面层承受最大剪应力，是结构层受力最不利层位，故宜将高模量剂设置在中面层位置。
图2 半刚性基层路面各结构层底拉压情况
图3 半刚性基层路面不同深度处的结构层剪应力计算结果
为进一步分析高模量沥青混合料在中面层设置的效果，将中面层模量由11000MPa调整为15000MPa后再次进行力学计算，高模量沥青混合料设置前后的结构层受力对比情况如图4、图5所示。
图4 高模量沥青混合料设置前后各结构层拉应力对比情况
图5 高模量沥青混合料设置前后各结构层剪应力对比情况
可以看出，高模量沥青混合料的设置对基层拉应力几乎没有影响，主要影响沥青面层的拉应力，但影响不大，而且不会改变其受压的状态。剪应力方面，设置高模量层后，沥青面层最大剪应力的位置不变，仍处于路表面以下10cm左右，但可以减小沥青面层的剪应力。因此，对于半刚性基层而言，将中面层设置为高模量层是合理的。
2.2 倒装结构力学分析
倒装路面结构层底拉应力和剪应力计算结果如图6、图7所示。从路面各结构层弯拉受力情况来看，倒装结构受力和半刚性基层结构有所不同。倒装结构的上、中面层处于受压状态，但由于级配碎石模量较低，其整体刚度较小。因此，当车辆荷载传递到该层时，沥青下面层将处于受拉的不利状态。水稳基层仍随着深度的增加，逐渐由压应力过渡为拉应力。在剪应力方面，和半刚性结构相似，随着路面深度的增加，倒装结构的剪应力先增大后减小，且在路表面以下10cm 处剪应力最大。综合考虑倒装结构的受力特点，其下面层始终承受整个结构的最大拉应力和拉应变，中面层仍存在最大剪应力，故有条件时宜将高模量剂设置在中、下面层。同时考虑到造价和最不利因素，宜优先设置在下面层。
图6 倒装结构各结构层底受拉情况
图7 倒装结构不同深度处的结构层剪应力计算结果
为进一步分析高模量沥青混合料在下面层设置的效果，提高下面层模量后再次进行力学计算，高模量沥青混合料设置前后的结构层受力进行对比情况如图8、图9所示。
图8 高模量沥青混合料设置前后各结构层拉应力对比情况
图9 高模量沥青混合料设置前后各结构层剪应力对比情况
可以看出，高模量沥青混合料的设置对基层拉应力几乎没有影响，主要可以减小沥青下面层的拉应力。此外，设置高模量层后，沥青中面层的最大剪应力也有所减小。因此，对于倒装结构而言，宜优先将高模量沥青混合料设置在下面层。
综上，通过对两种不同路面结构最不利受力分析，对于半刚性基层路面结构而言，宜将中面层设置为高模量层，对于倒装结构而言，宜优先将下面层设置为高模量层。
3 重载交通下高模量沥青路面典型结构分析
在前述高模量适用层位研究的基础上，进一步分析半刚性结构和倒装结构在重载交通的适用性。将结构一和结构二的受力特点进行对比分析，两种结构的层底拉应力和剪应力对比情况分别如图10、图11所示。
根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）[3]关于路面结构设计指标的规定，结构一和结构二的共同设计指标为无机结合料层底拉应力，即通过该指标来控制无机结合料层的疲劳开裂。对比两种结构的受力可以看出，结构二的无机结合料层底拉应力较小。因此，面对相同交通荷载作用时，水稳基层底部发生临界疲劳损伤的当量轴载作用次数要大。在重载交通作用下，结构二产生疲劳损伤的作用时间要长于结构一。另外，在剪应力方面，无论是对于整体结构层剪应力还是对于最大剪应力，结构二均要优于结构一，路面发生车辙永久变形的几率相对较低。总体而言，和半刚性基层结构相比，倒装结构应用于重载交通时，具有更长的使用寿命。
值得注意的是，对于倒装结构而言，由于沥青下面层底受到拉应力作用，该结构层底产生疲劳开裂的风险增加。但从试验段和福建省超过15 年的成功应用经验来看，因沥青层底受拉而产生疲劳开裂的情况很少，沥青层底产生的拉应变远未达到发生疲劳损伤的极限拉应变。这是由于尽管有级配碎石层的存在，但其厚度较小，仅为12～15cm，路面结构的承重层仍为水泥稳定碎石层。因此，高模量层的设置进一步降低了沥青层底疲劳损伤的发生。
除了在重载交通下路面结构层受力的优势，倒装结构中的级配碎石层本身为松散体结构，可以避免或缓解半刚性基层的反射裂缝衍射至沥青面层，在很大程度上减少了裂缝的发生。同时，级配碎石可以作为空隙通道，将下渗到路面结构内部的雨水排出至路基外，减少路面水损害的发生。
综上所述，将倒装结构用于江淮多雨地区的重载交通，能够更好地减少疲劳裂缝和水损害的发生，有效提高路面耐久性和使用寿命。
4 工程应用效果
G3 京台高速公路安徽段为G3 京台高速与G4212 合安高速的共线段，是我国也是安徽省境内最主要的南北向高速公路。近年来，随着区域经济社会发展，交通量增长迅速，交通压力大，重载车辆多，改扩建后对路面耐久性提出了更高的要求。自试验路段实施以来，历时3年多，经历了夏季高温、冬季低温、重载车辆、雨水等共同作用，路面使用状况良好，保持了良好的路用性能，有效减少了裂缝、车辙、坑槽等病害的出现，每年路面养护费用降低30%以上，产生了明显的经济效益。同时，通过采用高模量沥青混凝土路面，延长了道路的使用寿命，减少了维修的频次，在很大程度上减少了路面铣刨废弃料的产生和堆放，也节约了修补材料的资源消耗，经济和社会效益显著。
5 结论
目前，我国交通运输行业正值从交通大国向交通强国迈进的黄金发展期，要充分发挥科技创新引领作用，着力推动交通运输服务提质升级。因此，提出适用于安徽省重载交通荷载下的高模量沥青混合料典型结构，在满足高速公路使用性能要求的前提下，通过延长路面使用寿命来节省道路建材，减少维修成本，为公路建设资源的科学合理利用奠定了良好的基础。未来一段时期内，公路建设市场仍然继续扩大，立足于本文研究成果，应继续推广验证该结构在省内的适应性。
