瀝青面層厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)影響分析

韓曉洲 張劍 吳亮

0 引言

半剛性基層瀝青路面是我國(guó)瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式，我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)彎沉、瀝青層層底拉應(yīng)力以及半剛性材料層拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)。瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度的確定是結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)中最重要的部分，它不但包括路面的基本受力分析，還涉及到實(shí)際交通軸載狀況和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)因素。因此，對(duì)不同的瀝青路面結(jié)構(gòu)，其各層位厚度的確定要與相應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法相匹配，結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

本文針對(duì)我國(guó)路面主要結(jié)構(gòu)形式，擬定了幾種路面結(jié)構(gòu)，采用不同瀝青層、半剛性基層厚度，而且路面材料模量也不同，利用Bisar3.0軟件，對(duì)各結(jié)構(gòu)瀝青路面的半剛性層層底拉應(yīng)力、基層頂面壓應(yīng)變，以及瀝青結(jié)構(gòu)層剪切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析瀝青層厚度的改變對(duì)各力學(xué)指標(biāo)的影響。

1 計(jì)算模型的建立

本文應(yīng)用彈性層狀連續(xù)體系理論來(lái)分析瀝青層厚度對(duì)路面應(yīng)力分布的影響。文中采用Bisar3.0力學(xué)計(jì)算程序，荷載方式采用雙圓均布荷載，標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN，當(dāng)量圓半徑為10.65cm，輪隙間距為1.5r，考慮水平荷載的影響，其表面摩擦系數(shù)f=0.2，荷載作用如圖1所示。

2 路面結(jié)構(gòu)擬定及計(jì)算參數(shù)確定

根據(jù)我國(guó)常用半剛性路面結(jié)構(gòu)形式，擬定了路面結(jié)構(gòu)組合，見(jiàn)表1。

3 力學(xué)分析

根據(jù)Bisar3.0計(jì)算結(jié)果，主要分析瀝青層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)層中半剛性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力、基頂壓應(yīng)變以及瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的影響，從而得出決定瀝青層厚度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

表1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

3.1 對(duì)半剛性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力影響

根據(jù)已有研究成果及計(jì)算結(jié)果可知，半剛性結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在荷載中心處，故在對(duì)如表1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，主要對(duì)比結(jié)構(gòu)層不同厚度對(duì)荷載中心處拉應(yīng)力的影響。

對(duì)不同瀝青層厚度下半剛性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行分析，可知:

1)隨著瀝青結(jié)構(gòu)層厚度的增加，半剛性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力逐漸減小。瀝青層厚每增加5cm，半剛性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力減小幅度也不同，但變化范圍均在10%～17%;半剛性結(jié)構(gòu)層越厚，其減小幅度越小。這是由于半剛性層厚增加后，對(duì)路面的承載能力的貢獻(xiàn)也會(huì)增大，起到主導(dǎo)作用，此時(shí)，單是瀝青層厚度的改變，對(duì)結(jié)構(gòu)層整體受力模式影響程度將減小。

2)增加瀝青層的模量，可以減小半剛性層底拉應(yīng)力，但減小幅度較小。瀝青層模量每增加400mPa，半剛性結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力僅減少約3%～6%，減小幅度很小，且瀝青層越厚，其模量變化對(duì)半剛性層底拉應(yīng)力影響越大。這是因?yàn)楫?dāng)瀝青層厚度增加，對(duì)路面的承載力貢獻(xiàn)加大，當(dāng)模量增大時(shí)，其可消散大部分的應(yīng)力，使得半剛性結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力減小。

3)對(duì)于采用兩層半剛性材料做瀝青路面基層時(shí)，半剛性材料厚度一般在30cm～40cm范圍內(nèi)，那么，根據(jù)半剛性基層層底拉應(yīng)力所確定的最小瀝青層厚也應(yīng)在17cm～28cm之間，若混合料模量低于1400mPa，則需要的瀝青層厚度應(yīng)更大。因此，在相同設(shè)計(jì)要求下，采用高模量瀝青混凝土可減小瀝青層厚度。

3.2 對(duì)基頂壓應(yīng)變的影響

半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)基頂壓應(yīng)變?cè)赬OY平面內(nèi)分布不同于半剛性層底拉應(yīng)力的分布，其最大值出現(xiàn)在輪跡內(nèi)側(cè)，并未出現(xiàn)在輪隙中心，如圖2所示。

對(duì)不同瀝青層厚度下半剛性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行分析，可知:

1)半剛性類(lèi)基層瀝青路面基頂壓應(yīng)變隨瀝青層厚度的增加而減小。在15cm～40cm范圍內(nèi)，瀝青層每增加5cm，基頂壓應(yīng)變減少幅度均在10%～18%之間，對(duì)于半剛性基層厚度較大的路面結(jié)構(gòu)，基頂壓應(yīng)變隨瀝青層厚變化的幅度較小。

2)基頂壓應(yīng)變隨著瀝青結(jié)構(gòu)層模量的增大而減小，但減小幅度很小，瀝青混凝土模量在1400mPa～2200mPa之間每增加400mPa，半剛性類(lèi)基層瀝青路面基頂壓應(yīng)變減少約3%～8%。瀝青材料模量對(duì)基頂壓應(yīng)變的影響模式同拉應(yīng)力，即厚的瀝青結(jié)構(gòu)層隨模量增加，基頂壓應(yīng)變的減小幅度較大。

3.3 對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力影響

由于剪應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響主要是沿深度方向，故對(duì)結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力分析時(shí)，僅對(duì)路面深度方向剪應(yīng)力分布進(jìn)行研究。以路面橫斷方向?yàn)閄X方向，結(jié)構(gòu)層深度方向?yàn)閆Z方向，重點(diǎn)分析XOZ方向?yàn)r青結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力分布，在深度方向，半剛性結(jié)構(gòu)瀝青層剪應(yīng)力分布如圖3所示。

當(dāng)瀝青層厚度在15cm～40cm范圍內(nèi)變化時(shí)，結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力均隨深度的增加先增加，達(dá)到峰值后則開(kāi)始減小。當(dāng)瀝青層厚度超過(guò)25cm后，瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力已趨于穩(wěn)定，不足瀝青結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力的1/3，這說(shuō)明，瀝青結(jié)構(gòu)層剪切破壞主要集中在剪應(yīng)力峰值分布位置周?chē)?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

1)半剛性基層瀝青路面基層層底拉應(yīng)力、基頂壓應(yīng)變以及面層剪應(yīng)力，都隨瀝青層厚度的增大而減小，但在同一深度增大的幅度各不相同。

2)雖然瀝青層厚度增加能使瀝青層底拉應(yīng)變和路基頂面壓應(yīng)變減小，但瀝青層厚度不能無(wú)限增加，要考慮工程實(shí)際和經(jīng)濟(jì)性?？赏ㄟ^(guò)采取其他措施，如采用改性瀝青來(lái)提高瀝青層的極限拉應(yīng)變，強(qiáng)化土基或鋪墊層來(lái)減小路基頂面壓應(yīng)變，從而使路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3)各個(gè)參數(shù)對(duì)每個(gè)力學(xué)指標(biāo)的影響都不盡相同，路面結(jié)構(gòu)不應(yīng)只決定于其中某個(gè)指標(biāo)，而應(yīng)平衡各個(gè)指標(biāo)的關(guān)系以得到最佳結(jié)構(gòu)，綜合考慮各指標(biāo)的有利影響。

［1］崔 鵬，邵敏華，孫立軍.長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)研究［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008(3):37-42.

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