基于結(jié)構(gòu)組合特性的重載瀝青路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

李德彬+蔣婷婷 劉立斌

摘 要：研究干線公路在重載交通作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，通過建立路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型計(jì)算超載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特性，并對超載作用下路面結(jié)構(gòu)的彎沉、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行深入分析；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，并提出適應(yīng)于重載干線公路的合理結(jié)構(gòu)層厚度。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；重載；結(jié)構(gòu)組合；力學(xué)行為

中圖分類號：U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

隨著中國公路建設(shè)的迅速發(fā)展，瀝青路面由于具有施工工期短、表面平整、養(yǎng)護(hù)維修方便、噪聲小、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在道路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于客貨運(yùn)量的增長，重載運(yùn)輸車輛迅速增加，按常規(guī)載重車輛設(shè)計(jì)的瀝青路面已不能滿足重載交通需求，出現(xiàn)大量的車轍、推擠、擁包、裂縫等早期病害，服務(wù)性能及使用壽命也相應(yīng)縮短，給國民經(jīng)濟(jì)帶來不可估量的損失[15]。瀝青路面發(fā)生病害的原因主要包括兩個方面：一是環(huán)境因素，包括交通荷載條件、氣候溫度、降雨量等；另一方面是路面結(jié)構(gòu)本身因素，包括結(jié)構(gòu)承載力、材料組成特性和結(jié)構(gòu)組合方案等。在瀝青路面結(jié)構(gòu)相同的前提下，與普通瀝青路面相比，重載瀝青路面早期破壞大大提前。應(yīng)從力學(xué)角度對重載瀝青路面進(jìn)行分析，了解面層、基層和底基層的應(yīng)力狀況，合理地對瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)[68]。

本文以干線公路實(shí)體工程為依托，對超載作用下瀝青路面的路表彎沉以及各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力做出力學(xué)響應(yīng)計(jì)算與分析，深入研究各結(jié)構(gòu)層厚度對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，并提出適應(yīng)于重載道路的合理結(jié)構(gòu)層厚度，以指導(dǎo)重載瀝青路面的建設(shè)。

1 超載作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析

以河北某典型干線公路為例，其總體交通量較大，日平均交通量約為30 000輛，其中重型貨車（軸載300 kN）及鉸接掛車（軸載400 kN）為7 000～8 000輛，占日平均交通量的26%，重型貨車及鉸鏈掛車軸重明顯大于標(biāo)準(zhǔn)車后軸重（100 kN），存在嚴(yán)重超載現(xiàn)象。超載車輛對路面結(jié)構(gòu)的影響較大，應(yīng)重點(diǎn)分析這類重型超載車輛對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用。

1.1 超載作用下瀝青路面數(shù)值模型建立

對瀝青路面路表彎沉及各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力、壓應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算，并分析在超載作用下的瀝

作用下路表彎沉較大的區(qū)域分布在距輪隙中心0～50 cm范圍內(nèi)，超載車輛輪胎對路面產(chǎn)生有效應(yīng)力的作用范圍更大，且路面變形曲線斜率較大，荷載反復(fù)作用時對路面結(jié)構(gòu)造成的疲勞損傷加劇。

（3） 在不同荷載作用下，瀝青路面彎沉呈線性增加，特別是輪胎與路面接觸面的中心處的彎沉隨軸載的增加變化幅度更大，從而引起路面由內(nèi)向外逐步發(fā)展的疲勞開裂，在超載作用下這種疲勞損傷的程度更嚴(yán)重，加速了瀝青路面破壞。

1.3 超載作用下路面結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力響應(yīng)分析

為確定不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力的分布情況，對標(biāo)準(zhǔn)軸載（軸載100 kN）、重型車輛軸載（軸載300 kN）和鉸鏈掛車軸載（軸載400kN）作用下的路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

分析以上不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)層底彎拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

（1） 面層層底彎拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，說明面層結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下受壓應(yīng)力。計(jì)算模型中假設(shè)層間接觸條件為完全連續(xù)，層間粘結(jié)狀態(tài)直接影響面層結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，如果層間粘結(jié)性能良好，面層層底處于壓應(yīng)力受力狀態(tài)，可避免彎拉應(yīng)力引起的面層疲勞開裂。

（2） 隨著軸載增大，基層與底基層層底彎拉應(yīng)力顯著增加。當(dāng)軸載為300 kN時，基層最大彎拉應(yīng)力為0.250 MPa，未發(fā)生破壞；當(dāng)?shù)谆鶎幼畲罄瓚?yīng)力達(dá)到0.329 MPa時，接近材料劈裂強(qiáng)度，此時底基層容易發(fā)生開裂破壞。當(dāng)軸載為400 kN時，基層底面最大彎拉應(yīng)力與底基層最大拉應(yīng)力均大于材料劈裂強(qiáng)度，在該軸載作用下，基層與底基層均發(fā)生開裂破壞。因此，超載狀態(tài)下車輛一次作用就可能使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度破壞。

1.4 超載作用下路面結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)力響應(yīng)分析

為了確定不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)力的分布情況，對標(biāo)準(zhǔn)軸載（100 kN）、重型車輛軸載（300 kN）和鉸鏈掛車軸載（400 kN）作用下的路面結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

各層壓應(yīng)力及瀝青層表面壓應(yīng)力均隨軸載增加而增加，各結(jié)構(gòu)層底壓應(yīng)力增長幅度不同，其中瀝青面層增長幅度較大，軸載每增加100 kN，壓應(yīng)力增長約24.6%～60.5%；半剛性基層、底基層的壓應(yīng)力變化不大，說明超載對瀝青結(jié)構(gòu)層的損傷較大，易引起瀝青結(jié)構(gòu)層的拉裂，導(dǎo)致瀝青面層由下到上產(chǎn)生裂縫，超載作用加快了瀝青路面的破壞。

1.5 超載作用下路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力響應(yīng)分析

（1） 在各級荷載作用下，瀝青路面剪應(yīng)力在橫向呈對稱分布，最大值均在輪邊緣處產(chǎn)生，而在輪載作用區(qū)域內(nèi)剪應(yīng)力值相對較小。超載作用下路表以下4 cm處剪應(yīng)力約為0.401～0.579 MPa，本次路面檢測試驗(yàn)中測得層間抗剪強(qiáng)度為0.25～0.40 MPa，超載車輛作用下該路面最大剪應(yīng)力已超過其抗剪強(qiáng)度。

（2） 隨著深度的增加，路面剪應(yīng)力橫向分布曲線的輪邊緣處峰值逐漸減小，輪載作用區(qū)域內(nèi)剪應(yīng)力逐漸增大，在距路表10 cm 后最大剪應(yīng)力從輪邊緣處移至輪載作用區(qū)內(nèi)。

（3） 超載作用下剪切應(yīng)力變化主要集中在距路表5 cm內(nèi)，深度大于 5 cm后整個曲線趨于緩和，路面較大的剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在表層。在距輪隙中心0.5 m后，路面剪應(yīng)力變化較小，而且都在 0.1 MPa 以下，小于瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度。因此，瀝青路面剪切破壞區(qū)域主要集中于輪跡邊緣0.5 m范圍內(nèi)。

2 結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

2.1 面層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析endprint

為了分析面層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，確定河北某干線公路重載條件下路面結(jié)構(gòu)的合理取值，針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載情況下不同面層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不同面層厚度時路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨面層厚度的變化曲線如圖6所示。

2.2 基層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，路面結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加的變化幅度相對較小，在0.175～0.247 MPa之間；超載作用下，最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加而減小，對于重載路面，基層厚度的增加可以顯著減小基層彎拉應(yīng)力；不同軸載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加呈線性減小，基層厚度大于25 cm時該現(xiàn)象更加明顯，因此，對于重載路面結(jié)構(gòu)，基層厚度應(yīng)適當(dāng)取較大值。

2.3 底基層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

為了分析底基層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載條件下不同底基層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不同底基厚度時路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨基層厚度的變化曲線。

超載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨底基層厚度增加而減小，表明底基層厚度的增加可以減小基層彎拉應(yīng)力；不同軸載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨底基層厚度增加而減小，底基層厚度大于25 cm時，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大底基層厚度對于減小路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的作用不明顯，且底基層厚度增加使得最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置向底基層移動，與基層材料相比，底基層材料劈裂強(qiáng)度相對較低，因此，較大的厚度容易導(dǎo)致底基層出現(xiàn)強(qiáng)度開裂。

3 結(jié) 語

（1） 以河北某干線公路為例，采用路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型確定超載車輛作用下路表彎沉值約為設(shè)計(jì)彎沉值的3.25～4.79倍。

（2） 研究了超載作用下路表彎沉響應(yīng)，得出基層底面最大彎拉應(yīng)力與底基層最大拉應(yīng)力均大于材料劈裂強(qiáng)度，因此，超載狀態(tài)下車輛一次作用就可能使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度破壞。

（3） 當(dāng)軸載增加時，路面結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力及瀝青層表面壓應(yīng)力均增加，其中瀝青面層增長幅度較大，軸載每增加100 kN，壓應(yīng)力增長約24.6%～605%。

（4） 超載作用下，路表以下4 cm處剪應(yīng)力約為0.401～0.579 MPa，超過了基層材料的抗剪強(qiáng)度，瀝青路面剪切破壞區(qū)域主要集中于輪跡邊緣0.5 m范圍內(nèi)。

（5）針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載情況下不同結(jié)構(gòu)層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。根據(jù)分析結(jié)果提出以下建議：重載條件下路面面層厚度宜控制在20 cm左右；基層厚度應(yīng)適當(dāng)取較大值；底基層厚度宜小于25 cm。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘 勝，李景任.瀝青路面損壞的影響因素及防治措施[J].科技向?qū)В?012（17）：288.

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[3] 鄭南翔，牛思勝，許新權(quán).重載瀝青路面車轍預(yù)估的溫度軸載軸次模型[J].中國公路學(xué)報(bào)，2009，22（3）：713.

[4] 梁麗榕，鄧堅(jiān)平，黃 慧.廣西路網(wǎng)公路瀝青路面病害調(diào)查及分析[J].西部交通科技，2011（11）：1520.

[5] 羅宏偉，韋海濤，傅 琴.瀝青路面基于裂縫率的路面損壞狀況研究[J].公路交通科技，2013（9）：101103.

[6] 黃 勇，王選倉.重載瀝青路面合理設(shè)計(jì)方法的分析研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（6）：4245.

[7] 韋金城，王 林，楊永順，等.永久性瀝青路面試驗(yàn)路力學(xué)響應(yīng)分布的數(shù)值仿真[J].公路交通科技，2010，27（6）：1519.

[8] 黃小龍，周正峰.重載瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)分析[J].中外公路，2011，31（1）：5559.

[責(zé)任編輯：王玉玲]endprint

為了分析面層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，確定河北某干線公路重載條件下路面結(jié)構(gòu)的合理取值，針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載情況下不同面層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不同面層厚度時路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨面層厚度的變化曲線如圖6所示。

2.2 基層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，路面結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加的變化幅度相對較小，在0.175～0.247 MPa之間；超載作用下，最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加而減小，對于重載路面，基層厚度的增加可以顯著減小基層彎拉應(yīng)力；不同軸載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加呈線性減小，基層厚度大于25 cm時該現(xiàn)象更加明顯，因此，對于重載路面結(jié)構(gòu)，基層厚度應(yīng)適當(dāng)取較大值。

2.3 底基層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

為了分析底基層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載條件下不同底基層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不同底基厚度時路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨基層厚度的變化曲線。

超載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨底基層厚度增加而減小，表明底基層厚度的增加可以減小基層彎拉應(yīng)力；不同軸載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨底基層厚度增加而減小，底基層厚度大于25 cm時，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大底基層厚度對于減小路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的作用不明顯，且底基層厚度增加使得最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置向底基層移動，與基層材料相比，底基層材料劈裂強(qiáng)度相對較低，因此，較大的厚度容易導(dǎo)致底基層出現(xiàn)強(qiáng)度開裂。

3 結(jié) 語

（1） 以河北某干線公路為例，采用路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型確定超載車輛作用下路表彎沉值約為設(shè)計(jì)彎沉值的3.25～4.79倍。

（2） 研究了超載作用下路表彎沉響應(yīng)，得出基層底面最大彎拉應(yīng)力與底基層最大拉應(yīng)力均大于材料劈裂強(qiáng)度，因此，超載狀態(tài)下車輛一次作用就可能使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度破壞。

（3） 當(dāng)軸載增加時，路面結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力及瀝青層表面壓應(yīng)力均增加，其中瀝青面層增長幅度較大，軸載每增加100 kN，壓應(yīng)力增長約24.6%～605%。

（4） 超載作用下，路表以下4 cm處剪應(yīng)力約為0.401～0.579 MPa，超過了基層材料的抗剪強(qiáng)度，瀝青路面剪切破壞區(qū)域主要集中于輪跡邊緣0.5 m范圍內(nèi)。

（5）針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載情況下不同結(jié)構(gòu)層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。根據(jù)分析結(jié)果提出以下建議：重載條件下路面面層厚度宜控制在20 cm左右；基層厚度應(yīng)適當(dāng)取較大值；底基層厚度宜小于25 cm。

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[4] 梁麗榕，鄧堅(jiān)平，黃 慧.廣西路網(wǎng)公路瀝青路面病害調(diào)查及分析[J].西部交通科技，2011（11）：1520.

[5] 羅宏偉，韋海濤，傅 琴.瀝青路面基于裂縫率的路面損壞狀況研究[J].公路交通科技，2013（9）：101103.

[6] 黃 勇，王選倉.重載瀝青路面合理設(shè)計(jì)方法的分析研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（6）：4245.

[7] 韋金城，王 林，楊永順，等.永久性瀝青路面試驗(yàn)路力學(xué)響應(yīng)分布的數(shù)值仿真[J].公路交通科技，2010，27（6）：1519.

[8] 黃小龍，周正峰.重載瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)分析[J].中外公路，2011，31（1）：5559.

[責(zé)任編輯：王玉玲]endprint

為了分析面層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，確定河北某干線公路重載條件下路面結(jié)構(gòu)的合理取值，針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載情況下不同面層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不同面層厚度時路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨面層厚度的變化曲線如圖6所示。

2.2 基層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，路面結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加的變化幅度相對較小，在0.175～0.247 MPa之間；超載作用下，最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加而減小，對于重載路面，基層厚度的增加可以顯著減小基層彎拉應(yīng)力；不同軸載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨基層厚度增加呈線性減小，基層厚度大于25 cm時該現(xiàn)象更加明顯，因此，對于重載路面結(jié)構(gòu)，基層厚度應(yīng)適當(dāng)取較大值。

2.3 底基層厚度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響分析

為了分析底基層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載條件下不同底基層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，不同底基厚度時路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨基層厚度的變化曲線。

超載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨底基層厚度增加而減小，表明底基層厚度的增加可以減小基層彎拉應(yīng)力；不同軸載作用下，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力隨底基層厚度增加而減小，底基層厚度大于25 cm時，結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大底基層厚度對于減小路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的作用不明顯，且底基層厚度增加使得最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置向底基層移動，與基層材料相比，底基層材料劈裂強(qiáng)度相對較低，因此，較大的厚度容易導(dǎo)致底基層出現(xiàn)強(qiáng)度開裂。

3 結(jié) 語

（1） 以河北某干線公路為例，采用路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型確定超載車輛作用下路表彎沉值約為設(shè)計(jì)彎沉值的3.25～4.79倍。

（2） 研究了超載作用下路表彎沉響應(yīng)，得出基層底面最大彎拉應(yīng)力與底基層最大拉應(yīng)力均大于材料劈裂強(qiáng)度，因此，超載狀態(tài)下車輛一次作用就可能使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度破壞。

（3） 當(dāng)軸載增加時，路面結(jié)構(gòu)各層壓應(yīng)力及瀝青層表面壓應(yīng)力均增加，其中瀝青面層增長幅度較大，軸載每增加100 kN，壓應(yīng)力增長約24.6%～605%。

（4） 超載作用下，路表以下4 cm處剪應(yīng)力約為0.401～0.579 MPa，超過了基層材料的抗剪強(qiáng)度，瀝青路面剪切破壞區(qū)域主要集中于輪跡邊緣0.5 m范圍內(nèi)。

（5）針對路面結(jié)構(gòu)組合類型及材料特性，對標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載情況下不同結(jié)構(gòu)層厚度的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。根據(jù)分析結(jié)果提出以下建議：重載條件下路面面層厚度宜控制在20 cm左右；基層厚度應(yīng)適當(dāng)取較大值；底基層厚度宜小于25 cm。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]endprint