为了研究广西大厚度柔性路面耐久性结构，本文依托田新高速公路项目的设计参数与交通条件，提出了一种广西大厚度柔性路面试验段结构。采用离散元软件进行了5种不同轴载下的力学响应规律及设计参数变化规律研究，为广西大厚度柔性沥青路面结构的应用推广提供重要参考。研究结果发现，对于所选大厚度柔性沥青路面结构的双圆荷载中心点处：随着深度的增加，各层顶部的竖向位移慢慢减小，但各层顶竖向位移、沿行车方向水平拉应力与压应变均随轴载的增加呈线性关系增加；拉应力增速路表 > 路基顶，压应力增速路表 > 中面层顶 > 下面层顶 > 基层顶 > 路基顶；拉应变增速路基顶 > 底基层顶 > 基层顶 > 下面层顶，压应变增速由大到小为路表 > 中面层顶；设计年限内车辙累计深度随轴载的增加呈线性增加，增速为8.585，超载易超过现有设计规范的车辙限值；沥青层疲劳开裂对应的累计当量轴载次数随轴载的增加呈指数减少，大厚度柔性路面结构沥青层疲劳寿命长，超载下也远高于常规沥青路面结构。 In order to study the durability structure of Guangxi’s large-thickness flexible pavement, a Guangxi large-thickness flexible pavement test section structure was proposed based on the design parameters and traffic conditions of the Tianxin Expressway project in this paper. The mechanical response law and design parameter change law under 5 different axle loads were studied using discrete element software, providing an important reference for the application and promotion of large-thickness flexible asphalt pavement structures in Guangxi. The research results found that at the center point of the double circular load of the selected large-thickness flexible asphalt pavement structure: as the depth increases, the vertical displacement at the top of each layer gradually decreases, but the vertical displacement at the top of each layer, horizontal tensile stress and compressive strain along the running direction all increase linearly with the increase of axle load; tensile stress growth rate of road surface > roadbed top, compressive stress growth rate of road surface > middle surface layer top > lower layer top > base layer top > roadbed top; tensile strain growth rate of subbase top > base top > lower layer top, and compressive stress growth rate from the highest to the lowest is road surface > middle layer top; during the design period, the cumulative depth of ruts increases linearly with the increase of axle load, with a growth rate of 8.585. Overloading can easily exceed the existing design specifications’ rut limits; the cumulative equivalent axle load number corresponding to fatigue cracking of asphalt layer decreases exponentially with the increase of axle load. The fatigue life of asphalt layer in large-thickness flexible pavement structure is long, and it is also much higher than that of conventional asphalt pavement structure under overload.
为了研究广西大厚度柔性路面耐久性结构，本文依托田新高速公路项目的设计参数与交通条件，提出了一种广西大厚度柔性路面试验段结构。采用离散元软件进行了5种不同轴载下的力学响应规律及设计参数变化规律研究，为广西大厚度柔性沥青路面结构的应用推广提供重要参考。研究结果发现，对于所选大厚度柔性沥青路面结构的双圆荷载中心点处：随着深度的增加，各层顶部的竖向位移慢慢减小，但各层顶竖向位移、沿行车方向水平拉应力与压应变均随轴载的增加呈线性关系增加；拉应力增速路表 > 路基顶，压应力增速路表 > 中面层顶 > 下面层顶 > 基层顶 > 路基顶；拉应变增速路基顶 > 底基层顶 > 基层顶 > 下面层顶，压应变增速由大到小为路表 > 中面层顶；设计年限内车辙累计深度随轴载的增加呈线性增加，增速为8.585，超载易超过现有设计规范的车辙限值；沥青层疲劳开裂对应的累计当量轴载次数随轴载的增加呈指数减少，大厚度柔性路面结构沥青层疲劳寿命长，超载下也远高于常规沥青路面结构。
大厚度柔性路面结构，轴载，力学响应，麦路软件
Enlian Xie1*, Yihua Nie2, Bo Tan3, Xinyao Huang2, Guoqing Yu1, Yutao Li1
1Guangxi Tianxin Expressway Co., Ltd., Chongzuo Guangxi
2School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan Hunan
3College of Civil Engineering and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi
Received: Oct. 16th, 2023; accepted: Nov. 22nd, 2023; published: Nov. 30th, 2023
In order to study the durability structure of Guangxi’s large-thickness flexible pavement, a Guangxi large-thickness flexible pavement test section structure was proposed based on the design parameters and traffic conditions of the Tianxin Expressway project in this paper. The mechanical response law and design parameter change law under 5 different axle loads were studied using discrete element software, providing an important reference for the application and promotion of large-thickness flexible asphalt pavement structures in Guangxi. The research results found that at the center point of the double circular load of the selected large-thickness flexible asphalt pavement structure: as the depth increases, the vertical displacement at the top of each layer gradually decreases, but the vertical displacement at the top of each layer, horizontal tensile stress and compressive strain along the running direction all increase linearly with the increase of axle load; tensile stress growth rate of road surface > roadbed top, compressive stress growth rate of road surface > middle surface layer top > lower layer top > base layer top > roadbed top; tensile strain growth rate of subbase top > base top > lower layer top, and compressive stress growth rate from the highest to the lowest is road surface > middle layer top; during the design period, the cumulative depth of ruts increases linearly with the increase of axle load, with a growth rate of 8.585. Overloading can easily exceed the existing design specifications’ rut limits; the cumulative equivalent axle load number corresponding to fatigue cracking of asphalt layer decreases exponentially with the increase of axle load. The fatigue life of asphalt layer in large-thickness flexible pavement structure is long, and it is also much higher than that of conventional asphalt pavement structure under overload.
Keywords:Large-Thickness Flexible Pavement Structure, Axle Load, Mechanical Response, Mpave Software
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沥青路面是一种路用性能优异并被广泛应用的高级路面类型，随着我国经济的发展，提高沥青路面耐久性和使用寿命已成为中国道路领域的重要任务 [
结合田新高速项目路面结构 [
| 结构层位 | 结构层材料 | 结构层厚度 | 结构层泊松比 | 结构层模量 |
|---|---|---|---|---|
| 上面层 | AC-13C SBS | 4 cm | 0.25 | 11,000 Mpa |
| 中面层 | AC-20C SBS | 6 cm | 0.25 | 10,000 Mpa |
| 下面层 | AC-25C | 8 cm | 0.25 | 10,000 Mpa |
| 上基层 | ATB-25 | 20 cm | 0.25 | 10,000 Mpa |
| 下基层 | 4%水泥稳定碎石 | 18 cm | 0.25 | 10,000 Mpa |
| 底基层 | 4%水泥稳定碎石 | 18 cm | 0.25 | 10,000 Mpa |
| 垫层 | 级配碎石 | 16 cm | 0.35 | 200 Mpa |
| 土基 | 0.4 | 50 Mpa |
表1. 大厚度柔性路面试验段结构及参数
图1. 力学计算模型及荷载点位分布图：(a) 计算模型三维示意图以及坐标轴；(b) 计算模型离散网格图；(c) 力学响应计算点位置图示；(d) 力学响应计算荷载及方向图示
本研究采用麦路(Mpave)进行力学分析与模拟计算，图1给出了Mpave软件设计与计算用的模型。计算用的标准轴载为0.7 MPa，双圆荷载半径为0.1065 m，两轮中心距为0.3195 m，层间完全连续。坐标原点在双圆荷载的中心点，坐标轴X轴、Y轴与Z轴分别对应着路面模型的垂直行车方向、竖直方向、沿行车方向。其中，A/B/C/D四点分为对应单圆荷载圆心点、单圆圆周点、双圆中心点、单圆圆周点与双圆中心点的中分点 [
广西田新高速项目区1月平均气温为13.8℃，7月平均气温为28.1℃，年平均气温为20.8℃~22.4℃，年无霜期长达340多天，年降雨量1200毫米以上。
根据广西田新高速项目工可报告资料，本项目车型比例值及交通量预测结果分别见表2。路面设计所采用的交通量数据是根据工程可行性研究报告中“交通量分析与预测”作为设计计算依据。
| 设计参数 | 设计标准 |
|---|---|
| 公路等级 | 高速公路 |
| 设计年限 | 15年 |
| 大型客车和货车交通量 | 4300辆/日 |
| 年平均增长率 | 7.48% |
| 车道特征 | 单项二车道 |
| 方向系数 | 0.55 |
| 车道系数 | 0.8 |
表2. 交通参数表
分别施加0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa等五个双圆均布荷载进行建模，分析力学参数随轴载的变化规律。
图2给出了大厚度柔性路面结构路表竖向位移UY (沿X轴)随轴载变化的分布图及规律图。图上负值表示为反向位移，正值表示为正向位移，并拟合出了轴载与各计算点位路表竖向位移UY关系式，见表3。可见，随轴载的增加，路表处四个关键计算点位的路表竖向位移UY呈线性增加，增速由大到小为A > B > D > C。
图2. 路表竖向位移变化规律图(沿X轴)：(a) UY分布图(沿X轴)；(b) 关键点位UY规律图
| 计算点位 | 拟合关系式 | 相关系数R2 |
|---|---|---|
| A | y = − 4.20 E − 5 x − 6.30 E − 5 | 1.00 |
| B | y = − 4.11 E − 5 x − 6.16 E − 5 | 1.00 |
| C | y = − 4.03 E − 5 x − 6.05 E − 5 | 1.00 |
| D | y = − 4.04 E − 5 x − 6.07 E − 5 | 1.00 |
表3. 轴载与路表竖向位移UY关系式(沿X轴)
图3给出了不同轴载下大厚度柔性路面结构沿双圆中心点深度路径的竖向位移UY (沿Y轴)分布图及各层顶的竖向位移变化规律图。图上负值表示为反向位移，正值表示为正向位移，并拟合出了轴载与各层顶竖向位移UY关系式，见表4。可见，随深度的增加，各层顶竖向位移UY均呈减小趋势；随轴载的增加，各层顶竖向位移UY均呈线性关系增加，整体上增速差异不大。
图3. 不同轴载下深度竖向位移UY规律图(沿Y轴)：(a) UY分布图(沿Y轴)；(b) 各层顶UY规律图
| 计算点位 | 拟合关系式 | 相关系数R2 |
|---|---|---|
| 路表 | y = − 4.04 E − 5 x − 6.06 E − 5 | 1.00 |
| 中面层顶 | y = − 4.03 E − 5 x − 6.05 E − 5 | 1.00 |
| 下面层顶 | y = − 4.04 E − 5 x − 6.05 E − 5 | 1.00 |
| 基层顶 | y = − 4.01 E − 5 x − 6.01 E − 5 | 1.00 |
| 底基层顶 | y = − 3.90 E − 5 x − 5.85 E − 5 | 1.00 |
| 路基顶 | y = − 3.79 E − 5 x − 5.08 E − 5 | 1.00 |
表4. 轴载与各层顶竖向位移UY关系式(沿Y轴)
图4. 不同轴载下行车方向水平拉应力SZ规律图(沿Y轴)：(a) SZ分布图(沿Y轴)；(b) 各层SZ规律图
图4给出了大厚度结构路面结构不同轴载下沿深度X向水平拉应力(沿Y轴)的分布图及规律图。图上负值为压应力，正值为拉应力。具体分析如下：
由分布图可知，路表处行车方向压应力最大，随深度的增加压应力减小，约在下面层附近变为拉应力，至基层底得到一个较大的拉应力；在基层范围内，沿行车方向拉应力随着深度的增加逐渐增大。在底基层内的拉应力随深度的增加变化不大，且拉应力值较小；地基内沿行车方向压应力基本为0。随着轴载的增加，深度沿行车方向水平拉应力的整体变化规律一致。
轴载与各层顶行车方向拉应力SZ (沿Y轴)关系式(沿Y轴)见表5，可见各层顶行车方向拉应力SZ (沿Y轴)均随轴载的增加呈线性关系增加，其中路表增速最大，路基顶基本为0；底基层顶为正增加，其它层顶为负增加；压应力增速由大到小顺序为：路表 > 中面层顶 > 下面层顶 > 基层顶 > 路基顶。
| 计算点位 | 拟合关系式 | 相关系数R2 |
|---|---|---|
| 路表 | y = − 8.71 E + 04 x − 1.31 E + 05 | 1.00 |
| 中面层顶 | y = − 5.20 E + 04 x − 7.8 E + 04 | 1.00 |
| 下面层顶 | y = − 2.49 E + 04 x − 3.73 E + 04 | 1.00 |
| 基层顶 | y = − 1.12 E + 04 x − 1.69 E + 04 | 1.00 |
| 底基层顶 | y = − 1.80 E + 04 x + 2.71 E + 04 | 1.00 |
| 路基顶 | y = − 7.26 E + 01 x − 1.09 E + 02 | 1.00 |
表5. 轴载与各层顶行车方向水平拉应力SZ关系式(沿Y轴)
图5给出了不同轴载下大厚度柔性路面结构沿深度方向，沿行车方向的水平拉应变EZ (沿Y轴)的分布图及规律图。图上负值为压应变，正值为拉应变。具体分析如下：
由分布图可知，路表处行车方向压应变最大，随深度的增加压应变减小，应变由压变拉；基层、底基层、路基结构层内拉应变随深度的增加分三段变化：由于双轮荷载的相互作用影响，行车方向拉应变在基层至底基层内随着深度的增加而逐渐增大；在路基中双轮荷载相互作用减弱，行车方向拉应变随路基深度的增加而逐渐减小。随着轴载的增加，沿深度、沿行车方向水平拉应变的整体变化规律一致。
轴载与各层顶行车方向拉应变EZ (沿Y轴)关系式(沿Y轴)见表6，可见各层顶行车方向拉应变EZ (沿Y轴)均随轴载的增加呈线性关系增加，其中路表增速最大，下面层顶增速最小；路表、中面层顶为压应变、负增加，其它层顶为拉应变、正增加；拉应变增速由大到小顺序为：路基顶 > 底基层顶 > 基层顶 > 下面层顶；压应变增速由大到小顺序为：路表 > 中面层顶。
图5. 不同轴载下行车方向拉应变规律图(沿Y轴)：(a) EZ分布图(沿Y轴)；(b) 各层EZ规律图
| 计算点位 | 拟合关系式 | 相关系数R2 |
|---|---|---|
| 路表 | y = − 7 E − 06 x − 1 E − 05 | 1.00 |
| 中面层顶 | y = − 3 E − 06 x − 4 E − 06 | 1.00 |
| 下面层顶 | y = 2 E − 07 x + 4 E − 07 | 1.00 |
| 基层顶 | y = 1 E − 06 x + 1 E − 06 | 1.00 |
| 底基层顶 | y = 2 E − 06 x + 2 E − 06 | 1.00 |
| 路基顶 | y = 3 E − 06 x + 5 E − 06 | 1.00 |
表6. 轴载与各层顶行车方向拉应变EZ关系式(沿Y轴)
图6. 沥青层车辙随轴载变化规律
图7. 沥青层疲劳寿命随轴载变化规律
由图6可知，大厚度柔性路面结构的路面车辙深度随轴载的增加呈线性增加，其增长率为8.585。我国现行规范中容许车辙深度设计值为小于15 mm，可见所选的大厚度柔性路面结构的车辙深度在标准轴载0.7 MPa时为13.7 mm，满足设计要求，当轴载超过0.9 MPa后，车辙深度不再满足设计要求。
由图7可知，大厚度柔性路面结构的沥青层疲劳寿命随轴载的增加呈指数减少，随轴载增加的降幅非常大。当验算沥青混合料层疲劳开裂时，田新高速公路主线半刚性基层沥青路面设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为4.80E+07，所选大厚度柔性路面结构在1.3 MPa、0.7 MPa、0.5 MPa时的沥青层疲劳开裂对应的累计当量轴载次数分别为2.91E+10，3.40E+11，1.29E+12，可见远远高于常规沥青路面结构的沥青层疲劳寿命。
本文以广西田新高速项目的设计参数和交通条件为基础，提出广西大厚度柔性路面试验段结构，利用离散元软件分析了试验段结构的力学响应随5种不同双圆均布荷载的变化规律，获得如下结论：
1) 随着深度的增加，各层顶竖向位移值慢慢减小；随轴载的增加，不同深度处各层顶竖向位移均呈线性增加，整体上增速差异不大。
2) 路表处行车方向压应力最大，随深度的增加而减小；在下面层附近变为拉应力，至基层底拉应力增加较大；底基层内拉应力随深度的增加变化不大且值较小。各层顶沿行车方向水平拉应力均随轴载的增加呈线性关系增加。
3) 路表处行车方向压应变最大，随深度的增加压应变减小，应变由压变拉；拉应变随基层、底基层深度的增加而增大，随路基深度的增加而减小。
4) 大厚度柔性路面结构的沥青层疲劳寿命随轴载的增加呈指数减少，降幅非常大。对于大厚度柔性路面结构，沥青层疲劳开裂对应的累计当量轴载次数即使在超载下也远高于常规沥青路面结构的沥青层疲劳寿命，寿命长。
广西交通运输行业重点科技创新研发项目(桂交便函(2022) 174号No. 8)；广西交通投资集团科研项目(田新合工2021-003号)；湖南省自然科学基金面上项目(2022JJ30259)。
谢恩连,聂忆华,谭 波,黄新摇,于国庆,李钰涛. 轴载对广西大厚度柔性路面结构的力学响应规律分析Analysis of Mechanical Response Laws of Axle Load to Large-Thickness Flexible Pavement Structure in Guangxi[J]. 土木工程, 2023, 12(11): 1397-1407. https://doi.org/10.12677/HJCE.2023.1211159