基層與土基結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的正交分析

馬煜纓

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

0 引 言

基層主要承受由面層傳來的車輛荷載的垂直力，并將力擴(kuò)散到下面的墊層和土基上去，路基作為路面結(jié)構(gòu)的支承體，車輛荷載通過路面結(jié)構(gòu)傳至路基，所以路基路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度與路基土的應(yīng)力應(yīng)變特性有很大的關(guān)系。路面結(jié)構(gòu)的早期破壞，除了它自身的原因外，與基層的開裂和路基的變形過大有很大的關(guān)系。目前，一些學(xué)者采用單因素分析法，從路面層狀體系受力的角度，分析了基層和土基的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，但這種方法一般僅分析單一參數(shù)變化的力學(xué)響應(yīng)，難免存在一定的片面性，采用正交法，綜合分析基層和土基各因素的改變對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，從而為基層和土基的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交分析設(shè)計(jì)

1.1 影響因素和水平的選擇

基層與土基的材料性能以及層間的接觸條件對(duì)路面的性能有決定性的作用，另外基層的厚度對(duì)路面的性能也有很大的影響，因此分析以基層的厚度，基層的模量，底基層厚度，底基層模量，土基模量，基層與底基層接觸條件，基層與土基的接觸條件為因素。參考我國瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合國內(nèi)外的一些研究，因素水平表如表1。

表1 因素水平表

1.2 正交方案的確定

根據(jù)選定的因素和水平，假設(shè)選取的各因素之間無交互作用，選用L9(37)正交表，將選定的因素和水平列入正交表中，即構(gòu)成正交分析方案如表2。

1.3 考核指標(biāo)的選擇

我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)，以路表面彎沉值、瀝青混凝土層的層底拉應(yīng)力及半剛性材料層的層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)，另外路基頂壓應(yīng)變作為目前國際上較為常用的一種指標(biāo)，因此本次分析選取路表面彎沉值，瀝青混凝土層的層底拉應(yīng)力和路基頂壓應(yīng)變作為考核指標(biāo)。

表2 正交分析方案

2 計(jì)算方法及計(jì)算位置

2.1 計(jì)算方法

計(jì)算采用基于多層彈性層狀體系理論并專為道路設(shè)計(jì)編制的BISAR3.0 程序，應(yīng)用該程序，彈性層狀體系中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都能夠計(jì)算，是國際上公認(rèn)的比較完善的路面設(shè)計(jì)軟件。本次計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載BZZ－100 kN，胎壓0.7 MPa，輪壓半徑R =10.65 cm，雙圓中心距為15.975 cm，在計(jì)算中假定，X 向?yàn)榈缆沸熊嚪较?，Y 向?yàn)榈缆窓M斷面方向，Z 向?yàn)樯疃确较颉?/p>

2.2 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算位置

為了更好地分析基層與土基結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)，選取我國高速公路典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1。

計(jì)算位置選擇雙輪荷載圓中心處的瀝青路表面和路基表面位置。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 路表彎沉值指標(biāo)分析

表3 各因素對(duì)路表彎沉值的直觀分析表

由表3 可見，路表彎沉值(10－4m)都隨著路面各結(jié)構(gòu)層厚度和模量的增加而有所降低，良好的層間結(jié)合狀態(tài)也能夠很好的改善路表彎沉;另外，從表中的極差結(jié)果可以看出，土基模量是影響路表彎沉值的最主要因素，相反，底基層與土基的層間結(jié)合狀態(tài)極差最小，因此按極差原理可知其對(duì)路表彎沉值影響最小，而基層與底基層的層間結(jié)合狀態(tài)極差卻為0.958，可知相對(duì)底基層與土基的層間粘結(jié)，改善基層與底基層的層間結(jié)合狀態(tài)更有利于改善路表彎沉。根據(jù)極差值的大小排序，因素的主次順序?yàn)橥粱Ａ縀 ＞基層厚度A ＞層間結(jié)合狀態(tài)F ＞底基層厚度C ＞底基層模量D ＞基層模量B ＞層間結(jié)合狀態(tài)G。

3.2 路基頂壓應(yīng)變指標(biāo)分析

表4 各因素對(duì)路基頂壓應(yīng)變的直觀分析表

由表4 可見，根據(jù)極差的大小，因素的主次順序?yàn)榛鶎雍穸華 ＞層間結(jié)合狀態(tài)F ＞土基模量E ＞底基層模量D ＞底基層厚度C ＞層間結(jié)合狀態(tài)G ＞基層模量B。路基頂壓應(yīng)變隨著基層、底基層以及土基的厚度和模量值的增加而減小，但從極差的大小來分析，除了基層厚度的最大極差為1.091之外，其他各因素的極差都較小，可知基層厚度是影響路基頂壓應(yīng)變的最顯著的因素。對(duì)于層間結(jié)合狀態(tài)，基層和底基層的層間結(jié)合狀態(tài)從完全光滑到完全連續(xù)，路基頂壓應(yīng)變逐漸變小，極差為0.663，可見良好的基層和底基層的層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)路面性能的良好及路基狀態(tài)的良好至關(guān)重要;但當(dāng)?shù)谆鶎优c土基的層間結(jié)合狀態(tài)完全連續(xù)時(shí)，較完全光滑是卻有所增加，這可能是因?yàn)檐囕v荷載引起的豎向應(yīng)力應(yīng)變傳遞到路基頂部，層間在完全光滑時(shí)使應(yīng)力的傳遞變得復(fù)雜，使層間產(chǎn)生滑移分擔(dān)了一部分應(yīng)變，由此路基頂應(yīng)變表現(xiàn)為在完全連續(xù)時(shí)較完全光滑時(shí)有所增加。

4 結(jié) 論

以我國典型的路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，考慮基層和土基的不同模量和厚度，以及不同的層間結(jié)合狀態(tài)，通過正交分析理論研究其對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的影響，由計(jì)算結(jié)果得出如下結(jié)論。

(1)土基模量是路表彎沉的最顯著影響因素，增加土基模量可以降低路表彎沉，并能有效的改善瀝青路面的使用性能。

(2)對(duì)路基頂壓應(yīng)變影響最大的是基層厚度，而其他各因素對(duì)其影響較不顯著，增加基層厚度是降低路基頂壓應(yīng)變的首要選擇。

(3)相對(duì)于底基層與土基的層間結(jié)合狀態(tài)，在基層與底基層層間設(shè)置粘結(jié)層更能夠改善瀝青路面的使用性能。

［1］鄧學(xué)均.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2009.

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