瀝青面層結(jié)構(gòu)參數(shù)對倒裝路面結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)分析

胡海學(xué)，肖慶一，王志輝，侯子義

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401；2.天津市公路工程總公司第一分公司，天津 300112）

半剛性材料的干縮溫縮易使基層開裂，并由此形成瀝青面層反射裂縫，削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)排水條件差，采用具有一定厚度和嚴(yán)格級配的級配碎石層作為過渡層，構(gòu)造倒裝結(jié)構(gòu)組合基層瀝青路面，很大程度上彌補(bǔ)半剛性基層反射裂縫及排水差的缺陷。但級配碎石的模量低，將其作為過渡層的加入會改變原瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況。大量關(guān)于級配碎石的研究文獻(xiàn)主要集中在級配碎石材料的力學(xué)特性和穩(wěn)定性、級配組成設(shè)計方法及試驗(yàn)路觀測等方面[1]，而級配碎石過渡層瀝青路面結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)分析相對較少，本文僅就瀝青面層厚度及模量兩個路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對級配碎石過渡層瀝青路面各控制指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 分析理論

較為理想的倒裝結(jié)構(gòu)組合基層瀝青路面力學(xué)模型是層狀體系理論，假定各層都是由均質(zhì)、各向同性的彈性材料組成；土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，其上的各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限；上層表面作用著軸對稱圓形均布垂直荷載；層間接觸面假定完全連續(xù)[2]。采用KENPAVE路面設(shè)計程序進(jìn)行路面力學(xué)分析。

級配碎石材料為非線性材料，模量隨著應(yīng)力而變化，即碎石層的各點(diǎn)隨著結(jié)構(gòu)深度的不同模量也不同。在KENLAYER程序中為確定非線性材料的模量，首先假設(shè)該層的彈性模量，并用層狀理論求得應(yīng)力，根據(jù)非線性模型，確定新的模量值，并計算新的一組應(yīng)力，重復(fù)這個過程，直至兩次相鄰迭代的模量接近于某個規(guī)定的精度為止。有兩種確定模量計算點(diǎn)的方法，一是將非線性粒料層劃分為若干層，用每層中間高度的應(yīng)力來確定其模量；二是將所有粒狀材料看作一層，取適當(dāng)點(diǎn)計算模量[3]。本文采用前者，將級配碎石層再分層，每層取5 cm。

2 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，簡化為雙圓均布荷載的輪載半徑δ=10.65 cm，接地壓力為0.7 MPa。計算簡圖如圖1所示，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表1所示。級配碎石過渡層的回彈模量隨著應(yīng)力強(qiáng)度的增加而增加?；貜椖Ａ亢偷谝粦?yīng)力不變量的簡單關(guān)系可表達(dá)為[3]：

式中：K1和K2為實(shí)驗(yàn)得到的常數(shù)，K1單位為kPa；θ為應(yīng)力不變量，或者是3個法向應(yīng)力σx、σy、σz之和，或是3個主應(yīng)力 σ1、σ2、σ3之和：

式中：γ為平均單位體積重量；z為模量計算點(diǎn)離地表面的距離；K0為靜土壓力系數(shù)。

圖1 力學(xué)分析結(jié)構(gòu)示意圖

表1 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3 路面結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)計算結(jié)果與分析

3.1 瀝青面層厚度及模量變化對路表彎沉的影響

不同瀝青面層厚度和模量下，以路表彎沉值為控制指標(biāo)，彎沉計算點(diǎn)為輪隙間表面中點(diǎn)，對設(shè)置級配碎石過渡層瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 不同面層厚度、模量下彎沉變化

分析圖2可知，路表彎沉隨瀝青面層厚度的增大而逐漸減小，隨瀝青面層模量的增大也呈減小趨勢，減小的幅度與瀝青面層厚度成正比，厚度越大，特別是厚度超過20 cm后，彎沉值下降的趨勢明顯加快。

3.2 瀝青面層厚度及模量變化對瀝青面層層底拉應(yīng)力的影響

不同面層厚度和模量下瀝青面層層底拉應(yīng)力變化如圖3所示。

圖3 不同面層厚度、模量下瀝青層底拉應(yīng)力

由圖3可知，瀝青層厚度小于15 cm時，層底拉應(yīng)力隨面層層厚增加而明顯增加，當(dāng)層厚大于15 cm后，層底拉應(yīng)力隨厚度增加呈逐漸減小趨勢。結(jié)構(gòu)層厚相同時，模量越大，拉應(yīng)力越大。因?yàn)槊鎸幽Ａ颗c級配碎石模量之比越大，路表荷載大部分將由剛度較大的面層承擔(dān)，導(dǎo)致面層層底拉應(yīng)力變大，這點(diǎn)與半剛性基層瀝青路面存在顯著區(qū)別。

瀝青混凝土面層以拉應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)時，材料的容許拉應(yīng)力 σR應(yīng)按式 （4） 計算[5]。

式中：σS為瀝青混凝土15℃時極限抗拉強(qiáng)度；KS為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，按式（5）計算。

將計算拉應(yīng)力看作容許拉應(yīng)力利用公式（4）、（5）反推得設(shè)計年限內(nèi)累計交通量Ne，結(jié)果如圖4所示。通過分析可以看出，瀝青層層底疲勞壽命呈上凹拋物線形，在15～20 cm之間存在最小值；提高瀝青結(jié)構(gòu)層模量導(dǎo)致層底彎拉應(yīng)力增加，反而降低瀝青面層的疲勞壽命。由此看出，高等級道路采用倒裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計時，厚度選擇應(yīng)避開15～20 cm范圍，從路面整體剛度角度考慮，倒裝結(jié)構(gòu)宜大于20 cm；同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的選擇上不應(yīng)盲目選擇過高的材料模量參數(shù)。

圖4 累計標(biāo)準(zhǔn)軸次變化

3.3 瀝青面層厚度及模量變化對半剛性基層層底拉應(yīng)力的影響

半剛性基層層底拉應(yīng)力的計算點(diǎn)為雙輪對稱軸上半剛性基層底面點(diǎn)。不同面層厚度和模量下半剛性基層層底拉應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 不同面層厚度、模量下半剛性基層層底拉應(yīng)力

由圖5可以看出，隨著面層厚度的增加，半剛性基層層底拉應(yīng)力逐漸減小，減小趨勢顯著；增加面層模量，雖然也能減小層底拉應(yīng)力，但減小幅度不明顯。

3.4 瀝青面層厚度及模量變化對土基頂面豎向壓應(yīng)變的影響

在行車重復(fù)荷載作用下，土基頂面會產(chǎn)生累積變形，為保證土基不發(fā)生剪切破壞或避免產(chǎn)生過多的塑性變形，還需分析土基頂面豎向壓應(yīng)變。不同面層厚度和模量下土基頂面豎向壓應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 不同面層厚度、模量下土基頂面豎向壓應(yīng)變

圖7 面層內(nèi)部剪應(yīng)力隨瀝青層厚度變化圖

由圖6可以看出，增加瀝青面層厚度，土基頂面豎向壓應(yīng)變明顯減??；相同面層厚度下模量越大，土基頂面豎向壓應(yīng)變越小，但是差距不明顯。

圖8 面層內(nèi)部剪應(yīng)力隨瀝青層模量變化圖

3.5 瀝青面層厚度及模量變化對面層內(nèi)部剪應(yīng)力的影響

瀝青混合料剪切破壞也是結(jié)構(gòu)破壞的主要類型之一，設(shè)置級配碎石過渡層后，面層內(nèi)部剪應(yīng)力隨瀝青層厚度及模量變化如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，設(shè)置級配碎石過渡層后，不同面層厚度路面內(nèi)部剪應(yīng)力在距路表縱深約10 cm處（中面層層底）達(dá)到峰值，之后隨深度增加剪應(yīng)力下降幅度明顯，且結(jié)構(gòu)層厚度越厚，中面層剪應(yīng)力峰值越小。瀝青面層材料回彈模量增加，可導(dǎo)致剪應(yīng)力分布的明顯變化，而這種變化很難簡單的通過剪應(yīng)力大小判斷對瀝青結(jié)構(gòu)層抗車轍能力的影響，還需要結(jié)合路面結(jié)構(gòu)溫度場以及瀝青路面材料蠕變本構(gòu)理論共同分析，這還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

1） 增加面層厚度及模量，都可以減小路面彎沉量，彎沉越小，BZZ-100累計標(biāo)準(zhǔn)軸次越大。

2）倒裝結(jié)構(gòu)中級配碎石層與面層之間黏結(jié)性能稍差，通常處于層間光滑狀態(tài)，瀝青面層受到較大的彎拉應(yīng)力，隨厚度變化呈上凹拋物線形，疲勞壽命呈類似規(guī)律，為高等級路面倒裝結(jié)構(gòu)組合設(shè)計提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

3）級配碎石層具有一定的剛度，在一定程度承受并擴(kuò)散荷載應(yīng)力，因此半剛性基層受到的荷載作用減少，受到的層底拉應(yīng)力也相對減小，土基頂面的壓應(yīng)變也呈減小趨勢。隨著面層厚度的增加，半剛性基層層底拉應(yīng)力、土基頂面壓應(yīng)變減小趨勢顯著，而增加面層模量對其影響并不顯著。

4）級配碎石過渡層的設(shè)置，使面層與碎石層間接觸面易產(chǎn)生相對滑動，下臥層對瀝青層抗剪的約束作用下降，面層內(nèi)易產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，通過計算認(rèn)為應(yīng)避免采用較薄的面層厚度，以防止面層出現(xiàn)較大高溫車轍病害。

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