基層模量及層間接觸對(duì)半剛性瀝青路面影響分析

黃 玲

(聞垣高速公路建設(shè)管理處，山西運(yùn)城 044000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量不斷增加，對(duì)道路的性能要求也越來(lái)越高。由于半剛性基層具有材料易獲得、強(qiáng)度高、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，使得半剛性基層成為我國(guó)高等級(jí)公路路面主要結(jié)構(gòu)組合。我國(guó)現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范以層狀彈性體系為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)假定道路各結(jié)構(gòu)層之間的接觸面完全連續(xù)［1］。然而完全按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)路面材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，路面仍會(huì)出現(xiàn)諸如車(chē)轍、壅包等早期破壞形式［2］;工程實(shí)踐證明，瀝青面層與半剛性基層之間以及瀝青混凝土層之間的層間界面粘結(jié)比較薄弱，處于完全滑動(dòng)與完全連續(xù)的中間狀態(tài)，層與層之間通過(guò)接觸傳遞應(yīng)力［3］。這樣表明瀝青路面的實(shí)際狀況與設(shè)計(jì)理論指標(biāo)之間存在著差異與不符，所以有必要對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，使其結(jié)果對(duì)路面設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中給予一定的參照依據(jù)。

本文采用殼牌公司開(kāi)發(fā)的層狀彈性體系分析軟件BISAR3.0，分析了層間連續(xù)、基層模量對(duì)路表彎沉、路面應(yīng)力影響，研究了在不同層間接觸狀態(tài)、不同模量情況下，雙圓均布垂直荷載中荷載對(duì)稱(chēng)軸上A(面層頂部)、B(面層與基層交界處)兩點(diǎn)路表彎沉、徑向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、切向應(yīng)力的變化趨勢(shì)，為半剛性基層路面設(shè)計(jì)提供可靠參考。

1 路面結(jié)構(gòu)方案及計(jì)算結(jié)構(gòu)的選取

1.1 路面結(jié)構(gòu)方案

本文為計(jì)算簡(jiǎn)便把道路結(jié)構(gòu)層劃分為三層即面層、基層、土基。路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.2 計(jì)算說(shuō)明

本次分析中，計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載100 kN，垂直荷載為 p=0.7 MPa，當(dāng)量圓半徑 δ=10.65 cm，兩輪荷載中心間距 3δ。層間考慮完全光滑及完全連續(xù)兩種極端情況。在計(jì)算中設(shè)定:r方向?yàn)檐?chē)輛行駛方向，即路面縱向;z軸為路面深度方向。采用BISAR3.0軟件進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。具體情況見(jiàn)圖1。

1.3 計(jì)算組合說(shuō)明

計(jì)算情況分為8種組合如下:

1)層間連續(xù)土基模量120 MPa，基層模量800 MPa。

2)層間連續(xù)土基模量120 MPa，基層模量7 000 MPa。

3)層間連續(xù)土基模量500 MPa，基層模量800 MPa。

4)層間連續(xù)土基模量500 MPa，基層模量7 000 MPa。

5)層間光滑土基模量120 MPa，基層模量800 MPa。

6)層間光滑土基模量120 MPa，基層模量7 000 MPa。

7)層間光滑土基模量500 MPa，基層模量800 MPa。

8)層間光滑土基模量500 MPa，基層模量7 000 MPa。

2 層間連續(xù)狀態(tài)對(duì)路表彎沉、路面應(yīng)力的影響

2.1 層間連續(xù)對(duì)路表彎沉的影響

根據(jù)以上8種不同組合，通過(guò)BISAR3.0，計(jì)算層間連續(xù)狀態(tài)對(duì)路表彎沉的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖1 荷載、計(jì)算點(diǎn)示意圖

圖2 層間連續(xù)狀況對(duì)路表彎沉的影響

從圖2可以看出:不同模量組合，隨著層間接觸狀態(tài)由完全連續(xù)向完全光滑變化，路表彎沉都會(huì)增大，但是增大幅度并不是很明顯，最大的是41.9%(800/120組合狀況)。

2.2 層間連續(xù)對(duì)瀝青面底面徑向應(yīng)力、基層豎向應(yīng)力的影響

通過(guò)選用不同層間接觸狀態(tài)，選取基層模量分別為800 MPa，7 000 MPa，土基模量分別為120 MPa，500 MPa的不同組合狀況下研究瀝青層底面徑向應(yīng)力、基層豎向應(yīng)力的變化趨勢(shì)，分別如圖3，圖4所示。

圖3 層間連續(xù)狀況對(duì)瀝青層底徑向應(yīng)力的影響

圖4 層間連續(xù)狀況對(duì)基層豎向應(yīng)力的影響

從圖3可以看出，層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青層底面的應(yīng)力有較大影響。在完全連續(xù)的情況下，四種模量組合情況下，徑向均為壓應(yīng)力;在完全光滑的情況下，對(duì)于基層模量為7 000 MPa的情況下，徑向應(yīng)力仍為壓應(yīng)力，但是對(duì)于基層模量較小800 MPa的情況下，徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力?？梢园l(fā)現(xiàn)，層間連續(xù)狀況對(duì)于瀝青層底部徑向應(yīng)力有很大的影響，最大影響幅度達(dá)到454%(800/120組合狀況)。

從圖4可以看出，在各種模量組合下，基層頂部豎向應(yīng)力無(wú)論層間連續(xù)狀況與否，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。當(dāng)層間光滑時(shí)，壓應(yīng)力較層間連續(xù)時(shí)大。

3 基層模量對(duì)路面彎沉、應(yīng)力的影響

3.1 基層模量對(duì)A，B點(diǎn)彎沉值的影響

基層模量分別取800 MPa，7 000 MPa，土基模量分別為120 MPa，500 MPa時(shí)，在兩種不同層間狀態(tài)下，A，B兩點(diǎn)彎沉值變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知隨著基層模量的增加，A，B點(diǎn)的彎沉值都會(huì)減小。

圖5 基層模量對(duì)A/B點(diǎn)彎沉值的影響

3.2 基層模量對(duì)A，B點(diǎn)豎向應(yīng)力的影響

通過(guò)選取以上兩種不同的基層模量、土基模量在兩種不同層間狀態(tài)下，對(duì)A，B兩點(diǎn)進(jìn)行豎向應(yīng)力計(jì)算。可知不論A點(diǎn)模量如何變化，處于何種層間狀態(tài)下A點(diǎn)的值都為零。B點(diǎn)的豎向應(yīng)力值變化趨勢(shì)由圖6可知:基層模量增大則B點(diǎn)豎向應(yīng)力增大，且由圖可知基層始終受壓。

圖6 基層模量對(duì)B點(diǎn)豎向應(yīng)力的影響

3.3 基層模量對(duì)A，B點(diǎn)徑向應(yīng)力的影響

通過(guò)選取以上兩種不同的基層模量、土基模量在兩種不同層間狀態(tài)下，A，B兩點(diǎn)徑向應(yīng)力變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 基層模量對(duì)A/B點(diǎn)徑向應(yīng)力的影響

由圖7a)可知:A點(diǎn)(面層頂部)的徑向應(yīng)力隨著模量的增大會(huì)有所增加，光滑時(shí)變化幅度較大。A點(diǎn)處于受拉狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)并不是基層模量越大越好，越大反而使A點(diǎn)處于不利狀態(tài)。

B點(diǎn)位于面層與基層交界處可得到兩個(gè)不同的徑向應(yīng)力即面層底部徑向應(yīng)力、基層頂部徑向應(yīng)力。由圖7b)可知:B點(diǎn)面層頂部徑向拉應(yīng)力隨著基層模量的增加而降低且壓應(yīng)力隨著基層模量的增加而增大。由圖7c)可知:B點(diǎn)基層頂部徑向應(yīng)力隨著基層模量的增加而增大。

3.4 基層模量對(duì)B點(diǎn)切向應(yīng)力的影響

由于A點(diǎn)位于路表面，路表面不受水平力作用，故A點(diǎn)無(wú)切向應(yīng)力。所以只需對(duì)B點(diǎn)進(jìn)行切向應(yīng)力計(jì)算，B點(diǎn)位于面層與基層交界處可得到兩個(gè)不同的切向應(yīng)力即面層底部切向應(yīng)力、基層頂部切向應(yīng)力。結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 基層模量對(duì)B點(diǎn)切向應(yīng)力的影響

由圖8可知:基層模量對(duì)面層底部及基層頂部的切向應(yīng)力的影響很小，當(dāng)層間接觸處于完全光滑時(shí)，基層頂?shù)撞康那邢驊?yīng)力幾乎接近于0。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用BISAR3.0軟件對(duì)典型的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析層間連續(xù)、基層模量對(duì)路表彎沉、路面應(yīng)力影響，研究在不同層間接觸狀態(tài)、不同模量情況下，雙圓均布垂直荷載中荷載對(duì)稱(chēng)軸上A(面層頂部)、B(面層與基層交界處)兩點(diǎn)路表彎沉、徑向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、切向應(yīng)力的變化趨勢(shì)，得到以下主要結(jié)論:

1)不同模量組合，隨著層間接觸狀態(tài)由完全連續(xù)向完全光滑變化，路表彎沉都會(huì)增大，但是增大幅度并不是很明顯，最大的是41.9%(800/120 組合狀況)。

2)層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青層底面的應(yīng)力有較大影響，在完全連續(xù)的情況下，徑向均為壓應(yīng)力;在完全光滑的情況下，對(duì)于基層模量7 000 MPa的情況下，徑向應(yīng)力仍為壓應(yīng)力，但是對(duì)于基層模量較小800 MPa的情況下，徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力，使瀝青層處于不利狀態(tài)。

3)彎沉值隨著基層模量的增大而減小，即彎沉值與基層模量取值成反比關(guān)系。4)雙圓均布垂直荷載中荷載對(duì)稱(chēng)軸上A點(diǎn)(面層頂部)處于受拉狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)并不是基層模量越大越好，越大反而使A點(diǎn)處于不利狀態(tài)。所以基層模量在選取時(shí)應(yīng)選擇一個(gè)適當(dāng)值。

5)基層模量對(duì)面層底部及基層頂部的切向應(yīng)力的影響很小。且當(dāng)層間接觸處于完全光滑時(shí)，基層頂?shù)撞康那邢驊?yīng)力幾乎接近于0。

［1］JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］張睿卓，凌天清，袁 明，等.半剛性基層模量對(duì)面結(jié)構(gòu)受力的影響［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，30(4):755-758.

［3］劉紅坡.層間接觸對(duì)半剛性瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的影響［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006.