瀝青面層設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)瀝青層剪應(yīng)力的影響規(guī)律

榮志慧

(晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司第五分公司，山西晉中 030600)

車(chē)轍病害是重載高溫區(qū)瀝青路面的主要病害，嚴(yán)重影響路面安全和舒適性，而隨著高速公路的迅速發(fā)展，研究瀝青路面的車(chē)轍問(wèn)題顯得尤為重要。本文通過(guò)采用不同的面層厚度、面層彈性模量，應(yīng)用Bisar3.0程序計(jì)算分析瀝青層在高溫重載組合作用下剪應(yīng)力分布規(guī)律，為解決重載高溫區(qū)瀝青路面的車(chē)轍病害提供思路。

本文研究所采用的路面結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)和計(jì)算參數(shù)

荷載圖式采用比利時(shí)接地面積與軸重經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(A=0.008P+152，其中，A為接地面積，cm2;P 為輪胎荷載，N)。該圖式輪壓和接地面積均隨軸載的增加而增加，圓心距保持31.95 cm不變，最符合實(shí)際情況。因?yàn)槌袚?dān)越重貨物運(yùn)輸?shù)能?chē)，統(tǒng)計(jì)上越有采用高強(qiáng)高壓輪胎的趨勢(shì)。加載模式見(jiàn)表2。

表2 加載模式

1 不同面層厚度瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

采用彈性層狀體系理論計(jì)算程序Bisar3.0，改變?yōu)r青上、中、下面層厚度，對(duì)瀝青層內(nèi)不同深度的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，層間接觸條件設(shè)定為完全連續(xù)。

1.1 上面層不同厚度瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

上面層厚度分別為3 cm，5 cm，7 cm時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 上面層厚度變化對(duì)瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖1可以看出，剪應(yīng)力在瀝青層范圍內(nèi)隨著上面層厚度的增加而增大;最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中面層，最大剪應(yīng)力隨著瀝青上面層的厚度增加而逐漸增大，最大剪應(yīng)力從0.313 9 MPa增至0.325 4 MPa，增幅 4%。

1.2 中面層不同厚度瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

中面層厚度分別為4 cm，6 cm，8 cm時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 中面層厚度變化對(duì)瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖2可以看出，剪應(yīng)力在瀝青層范圍內(nèi)隨著中面層厚度的增加而增大;最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中面層，最大剪應(yīng)力隨著瀝青中面層的厚度增加而逐漸增大，最大剪應(yīng)力從0.313 9 MPa增至0.326 6 MPa，增幅 4%。

1.3 下面層不同厚度瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

下面層厚度分別為5 cm，7 cm，9 cm時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 下面層厚度變化對(duì)瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖3可以看出，剪應(yīng)力在瀝青層范圍內(nèi)隨著下面層厚度的增加而增大;最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中面層，最大剪應(yīng)力隨著瀝青下面層的厚度增加而逐漸增大，最大剪應(yīng)力從0.313 9 MPa增至0.326 6 MPa，增幅 4%。

2 不同面層模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

采用彈性層狀體系理論計(jì)算程序Bisar3.0，改變?yōu)r青上、中、下面層模量，對(duì)瀝青層內(nèi)不同深度的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，層間接觸條件設(shè)定為完全連續(xù)。

2.1 上面層不同模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

上面層模量分別為279 MPa，479 MPa，679 MPa時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，剪應(yīng)力在上面層范圍內(nèi)隨著彈性模量的增大而逐漸增大，在中、下面層范圍內(nèi)有所減小;最大剪應(yīng)力隨著瀝青上面層的彈性模量增大而大幅增加，最大剪應(yīng)力由中面層遷移至上面層，數(shù)值從0.320 4 MPa增至0.427 4 MPa，增幅達(dá)33%。

圖4 上面層模量變化對(duì)瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

2.2 中面層不同模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

中面層模量分別為232 MPa，432 MPa，632 MPa時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 中面層模量變化對(duì)瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖5可以看出，剪應(yīng)力在中面層范圍內(nèi)隨著彈性模量的增大而逐漸增大，在上、下面層范圍內(nèi)則逐漸減小;最大剪應(yīng)力隨著瀝青中面層彈性模量的增大而大幅增加，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中面層，數(shù)值從 0.320 4 MPa 增至 0.394 8 MPa，增幅 23%。

2.3 下面層不同模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

下面層模量分別為232 MPa，432 MPa，632 MPa時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 下面層模量變化對(duì)瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖6可以看出，剪應(yīng)力在瀝青層內(nèi)隨著下面層彈性模量的增大而明顯減小;最大剪應(yīng)力隨著瀝青下面層彈性模量的增大而減小;最大剪應(yīng)力由中面層遷移至表面層，數(shù)值從0.320 4 MPa減小至0.293 8 MPa，減小幅度為8%。

2.4 中、下面層不同模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

中、下面層模量分別為232 MPa，432 MPa，632 MPa時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 中、下面層模量變化對(duì)瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖7可以看出，剪應(yīng)力在瀝青層內(nèi)隨著彈性模量的增大而明顯減小;最大剪應(yīng)力隨著瀝青中、下面層的模量增大而大幅減小，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中面層，數(shù)值從0.320 4 MPa減小至0.267 9 MPa，減小幅度為16%。

2.5 上、中面層不同模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

上、中面層模量分別為279 MPa和232 MPa，479 MPa和432 MPa，679 MPa和632 MPa時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 上、中面層模量變化對(duì)瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖8可以看出，剪應(yīng)力在上、中面層范圍內(nèi)隨著彈性模量的增大而逐漸增大，在下面層范圍內(nèi)則逐漸減小;最大剪應(yīng)力隨著瀝青上、中面層的模量增大而大幅增大，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中面層，數(shù)值從0.320 4 MPa增至0.401 MPa，增幅為25%。

2.6 上、中、下面層不同模量瀝青層剪應(yīng)力分布規(guī)律研究

上、中、下面層模量分別為279 MPa和232 MPa，479 MPa和432 MPa，679 MPa和632 MPa時(shí)，其他各參數(shù)保持不變，瀝青層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 上、中、下面層模量變化對(duì)瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律圖

由圖9可以看出，剪應(yīng)力在瀝青層內(nèi)隨著彈性模量的增大而明顯減小;最大剪應(yīng)力隨著瀝青上、中、下面層彈性模量的增大而減小，最大剪應(yīng)力由中面層遷移至上面層，數(shù)值從0.320 4 MPa減小至0.307 2 MPa，減小幅度為4%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)上、中、下面層的厚度增加均會(huì)導(dǎo)致瀝青層最大剪應(yīng)力的增大;2)上面層、中面層、上面層和中面層組合的模量增大會(huì)導(dǎo)致瀝青層最大剪應(yīng)力的增大;下面層、中面層和下面層組合及上、中、下面層組合的模量增加可減小瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力，其中尤以中面層和下面層模量增加，剪應(yīng)力減小的幅度最大(16%)，下面層模量增加，剪應(yīng)力減小的幅度次之(8%)，上、中、下面層模量增加，剪應(yīng)力減小的幅度最小(4%)。

［1］沈金安.國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯［M］.北京:人民交通出版社，2004:176-194.

［2］張登良.瀝青與瀝青混合料［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［3］沈金安.瀝青及瀝青混合料的路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［5］吳傳海.重載交通瀝青路面車(chē)轍成因及混合料組成設(shè)計(jì)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.