勁度模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響

高永杰

(保定市保通公路勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司)

1 引 言

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看作是建立一個(gè)多層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每層的結(jié)構(gòu)性能由表示這層材料特性的各種參數(shù)決定,也就是各層的厚度、勁度模量、泊松比及疲勞性能曲線。

除力學(xué)特性外,層間摩擦力也很重要。假如兩層間黏結(jié)充分,也就是層間不會(huì)在連接面產(chǎn)生滑動(dòng),則路面結(jié)構(gòu)的張力相對(duì)要小很多。除層間完全連續(xù)、絕對(duì)光滑的情況外,還可計(jì)算具有部分摩擦力時(shí)的情況。

2 現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法(BISAR計(jì)算程序)

力學(xué)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——多層系統(tǒng)力學(xué)參數(shù)——適用于特定情況通過(guò)常用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。BISAR程序較為普遍,由殼牌實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)。程序最大適用于 10層系統(tǒng)。通過(guò)力學(xué)和幾何學(xué)特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行明確描述。最底層假定為無(wú)限大,層厚無(wú)限。

荷載定位在坐標(biāo)系中,程序適用于多層圓形分布荷載疊加。通過(guò) x,y,z坐標(biāo)可以在坐標(biāo)系中進(jìn)行定位,程序在坐標(biāo)系中計(jì)算張力、壓縮應(yīng)變及位移。

3 計(jì)算后路面結(jié)構(gòu)的建立

為了與規(guī)范一致,在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要從路面結(jié)構(gòu)類型中選定合適的路面結(jié)構(gòu),適應(yīng)交通量及路基的需要。路面結(jié)構(gòu)由以下各層組成:

(1)瀝青面層;(2)瀝青聯(lián)結(jié)層;(3)瀝青基層——假設(shè)總厚度足夠;(4)底基層;(5)路基。

各層物理特性在以下分項(xiàng)中概述。瀝青類型名字已經(jīng)從 2008年 5月更改,但由于本研究在 2005～2007年間,因此仍采用舊名字。

3.1 路基

路基是一個(gè)無(wú)限厚度的半球體。這里的勁度系數(shù)是指靜態(tài)模量 E2?；谠O(shè)計(jì)規(guī)程,設(shè)計(jì)荷載較不利于滿足設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的可預(yù)見(jiàn)承載值。本設(shè)計(jì)過(guò)程考慮E2=40MN/m2。

本例中,E2的值在 40～80MN/m2之間以 10MN/m2為一階變化,應(yīng)力隨之發(fā)生相應(yīng)變化。

表 1 基層厚度與模量

3.2 底基層

表 1中描述了基層厚度及其勁度模量。

M50的力學(xué)靜態(tài)模量是通過(guò) SHELL公式確定的。根據(jù)公式,模量由路基模量決定。即

FZKA碎石墊層模量下式確定

E碎石墊層=E路基×(1+10.52 ×lgH碎石墊層-2.10×lgE路基×lgH碎石墊層)

CKt(水硬性砂礫石)的勁度模量確定在 2000MPa;本研究瀝青路面設(shè)計(jì)過(guò)程也假定為此值。

混凝土基層回彈模量可以根據(jù)平均壓應(yīng)力參照混凝土技術(shù)公式計(jì)算得出。

3.3 上基層

上基層采用瀝青材料,但上基層之上加鋪聯(lián)結(jié)層越來(lái)越普遍。在此計(jì)算中,勁度模量的值為假設(shè)值。

3.4 聯(lián)結(jié)層

聯(lián)結(jié)層材料多采用K-22、K-22/F混合料。其勁度模量的測(cè)試方法之一是采用IT-CY(圓柱體試件間接張拉法)測(cè)試。在布達(dá)佩斯工業(yè)與經(jīng)濟(jì)大學(xué)公路工程實(shí)驗(yàn)室,瀝青混合料勁度模量的確定采用 IT-CY方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試溫度為 10℃?；诖藖?lái)測(cè)定 K-22/F的勁度模量,見(jiàn)表 2。

表2 計(jì)算采用瀝青材料勁度模量

3.5 面層

目前道路建設(shè)最常用材料是 AB-11,AB-11/F,AB-16,AB-16/F,ZMA-11混合料。本計(jì)算采用AB-11/F混合料。面層和聯(lián)結(jié)層三種模量分別確定,即均值、最小值、最大值,最小值和最大值分別都在 95%保證率之內(nèi)。此計(jì)算中不采用改性瀝青,雖然其具有較高的勁度模量。

4 采用的路面結(jié)構(gòu)

計(jì)算采用的材料性質(zhì)見(jiàn)表 3。路面結(jié)構(gòu)瀝青層總厚度由交通荷載等級(jí)(采用交通荷載等級(jí)C,D,E,K)及基層確定,同時(shí)考慮最大及最小層厚:

(1)AB-11/F層厚在 35～60mm之間;

(2)K-22/F層厚在 70～100mm之間。完全光滑情況單獨(dú)考慮,之后分別考慮光滑程度100%,75%,50%,25%,0%的情況。

計(jì)算中,單輪荷載 50kN(單軸重 100kN),作用半徑R=0.15m,p=0.707MPa。

5 計(jì)算過(guò)程

瀝青層破壞假設(shè)為層底拉應(yīng)力造成,同時(shí)垂直壓應(yīng)力達(dá)到最大。經(jīng)驗(yàn)顯示壓應(yīng)力不會(huì)達(dá)到容許極限值,因此將討論瀝青層最小壓應(yīng)力的控制。假設(shè)完全光滑情況可實(shí)現(xiàn),正是瀝青層最小應(yīng)力情況,此時(shí)應(yīng)力水平明顯小于中值水平。反之,各瀝青層應(yīng)力要控制在更低水平。

計(jì)算中包括 20種路面結(jié)構(gòu)類型,見(jiàn)表 3,包括 5種基層類型情況,3種不同勁度模量面層,3種不同勁度模量聯(lián)結(jié)層,5種不同瀝青層間摩擦力情況。

表 3 計(jì)算中采用的路面結(jié)構(gòu)類型

6 計(jì)算結(jié)果

6.1 面層層底拉應(yīng)力

如果瀝青層間無(wú)摩擦力,則拉應(yīng)力只在面層層底出現(xiàn),否則將出現(xiàn)壓應(yīng)力。計(jì)算證明了這一點(diǎn),甚至在摩擦力25%時(shí),只有瀝青層總厚度較小的情況才會(huì)出現(xiàn) 20～25με的應(yīng)力。由此,在設(shè)計(jì)時(shí),這種標(biāo)準(zhǔn)在瀝青層間完全光滑情況時(shí)需要考慮。然而,這種情況在實(shí)踐中可能發(fā)生,但只在極端情況下出現(xiàn)。圖 1中顯示出幾種不同路面結(jié)構(gòu)類型在最小及最大模量下的面層應(yīng)力。同交通荷載水平的增長(zhǎng)一樣,應(yīng)力通常不會(huì)降低,這是由面層厚度的不連續(xù)性造成的。

6.2 瀝青層底拉應(yīng)力

瀝青層底應(yīng)力的增長(zhǎng)符合早期經(jīng)驗(yàn)與研究結(jié)論——是路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因之一,這意味著,此處的應(yīng)力值是最大的。這種情況下就要確定路面結(jié)構(gòu)的哪個(gè)參數(shù)的變化導(dǎo)致了應(yīng)力的明顯變化。

圖 2示例出瀝青層在較低應(yīng)力水平時(shí)勁度模量與應(yīng)力的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果顯示,層底應(yīng)力與面層勁度模量關(guān)系不大。假設(shè)路面結(jié)構(gòu)不變,只改變面層模量,層底應(yīng)力的變化范圍可計(jì)算得到,在表4中顯示出其在路面類型中的性能?？梢钥闯?基層強(qiáng)度越大,面層勁度模量在路面結(jié)構(gòu)中的影響越小。

圖 1 不同類型層底拉應(yīng)力

聯(lián)結(jié)層勁度對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能有較大的影響。如圖 2所示,偏差的減小與基層勁度模量的增大并存,但對(duì)某一固定基層類型,仍變化較大(15%～25%)。計(jì)算結(jié)果中可以看出,聯(lián)結(jié)層材料質(zhì)量和物理參數(shù)的改善對(duì)路面結(jié)構(gòu)的服務(wù)年限產(chǎn)生顯著的影響。應(yīng)力明顯減小,同時(shí)更小的應(yīng)力可提供更長(zhǎng)的服務(wù)年限。

圖 2 層底拉應(yīng)力與勁度模量關(guān)系

表 4 不同面層勁度對(duì)應(yīng)層底應(yīng)力偏差比例

不同材料的路基模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響如圖 3所示。最小路基模量為 E2=40MN/m2,在計(jì)算中以 E2=10MN/m2為階梯控制增長(zhǎng)到 E2=80MN/m2,更高承載能力的路基是否顯著降低路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的增長(zhǎng)?；谝延薪Y(jié)果,變化范圍在大概 8%～10%,對(duì)于混凝土基層來(lái)說(shuō)大約 6%。聯(lián)結(jié)層與基層間的摩擦力可增大層底應(yīng)力,減少路面結(jié)構(gòu)壽命。圖 4顯示了對(duì)瀝青層間摩擦力的分析。通過(guò)摩擦力的增大,瀝青層底拉應(yīng)力急劇增長(zhǎng)。完全摩擦和完全光滑兩種情況的差別甚至是雙倍的,可用四次冪方程式拋物線顯示出其良好的相關(guān)性。圖 4中可以明顯看出,混凝土上瀝青層底拉應(yīng)力值甚至在完全光滑狀態(tài)也保持不變,或者應(yīng)力絕對(duì)值很小。然而,對(duì)于軟弱混凝土基層,因?yàn)橐乐够炷粱鶎悠谄茐?瀝青層疲勞破壞設(shè)計(jì)不按各自設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖 3 不同類型瀝青層底應(yīng)力變化幅度

圖 4 不同光滑程度對(duì)應(yīng)層底應(yīng)力

7 結(jié) 論

面層在瀝青層間光滑程度 75%及更高時(shí)顯示出更大的應(yīng)力。各層其他參數(shù)對(duì)面層層底應(yīng)力影響不大。因此,瀝青層間摩擦力非常重要,應(yīng)對(duì)此采取相應(yīng)技術(shù)措施。

面層下部較上部應(yīng)力大。改變路基勁度模量或面層勁度模量對(duì)層底應(yīng)力作用不大。然而,改變聯(lián)結(jié)層勁度模量或?qū)娱g摩擦力效果明顯。因此,聯(lián)結(jié)層高勁度模量在路面結(jié)構(gòu)中是必要的,面層勁度模量在路面設(shè)計(jì)中并不重要。

[1]Design of Road Pavement Structures and Overlay Design with Asphalt Surfacings,Hungarian Road Society–MAT,2005.T2-1.202:2005.

[2]胡曉東.瀝青路面混合料中集料的技術(shù)參數(shù)分析及研究[J].中南公路工程,2005,(1).

[3]王秉綱,鄧學(xué)鈞.路面力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法[M].北京:人民交通出版社,1992.