柔性基層的瀝青路面結構力學研究

束瑞

（江蘇開通建設工程有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 引言

我國對于柔性基層瀝青路面的力學研究剛起步， 對該類路面結構的破壞類型及破壞機理屬于重點研究的課題， 大量研究數(shù)據(jù)的積累還需要一個過程。 雖然國外基于柔性基層瀝青路面的修筑建立了大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫， 但由于國內(nèi)外在地域地質(zhì)條件、氣候交通狀況等方面存在很大的差異，需要自行積累相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)。 研究發(fā)現(xiàn)，影響柔性基層瀝青路面的結構力學性能最主要的因素是外界環(huán)境的溫度變化， 導致瀝青路面結構破壞的主要因素是無規(guī)律反復作用的行車荷載及溫度的交變作用。 目前我國缺少用于指導控制公路瀝青路面設計的指標參數(shù)。 因此，準確分析柔性基層改性瀝青路面在不同溫度下的應力分布特性和變化規(guī)律，可以減少瀝青路面病害，具有一定的工程實際意義。

1 路面結構方案

柔性路面基層在荷載作用下具有較大的抗彎拉應變、較高的高溫、力學性能，溫度的變化對其體積影響不大，不易產(chǎn)生收縮開裂。 本文設計兩種柔性基層路面結構，即級配碎石和瀝青穩(wěn)定碎石基層結構，探索最優(yōu)柔性路面結構組合形式（表1）。

2 路面結構力學分析

采用BISAR3.0 計算行車荷載在不同溫度下兩種柔性基層瀝青路面結構的力學行為，分析比較應力變化規(guī)律，探索最優(yōu)柔性路面結構形式計算過程分為三個步驟:先計算出兩種路面結構在不同路表溫度下的溫度場; 其次根據(jù)標準溫度20 ℃下的抗壓回彈模量值推算不同溫度場下各層材料的抗壓回彈模量值;最后為不同溫度下的應力和路表彎沉值。

表1 兩種路面結構組合形式

2.1 溫度場的計算

假定兩種基層瀝青路面體內(nèi)的基準溫度為0 ℃，在基準狀況下路表無溫度變化，其路面體內(nèi)溫度依然為0 ℃。 40 cm 深處及以下的基層和墊層中，溫度梯度變化趨于穩(wěn)定，假定其溫度也為0 ℃計算時路表溫度取-20 ℃、-100 ℃、0 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃;路面結構層內(nèi)的溫度場可以采用式（1）進行計算:

式中:Th為距離路表面h 處的溫度值；T0為路表面溫度；h 為所求點至路表面的距離。

按照公式（1）計算出各個路面結構層在不同路表溫度下沿厚度分布的平均溫度如表2 所示。

表2 路面結構1 和結構2 各層中點位置平均溫度

2.2 材料參數(shù)

瀝青混合料的抗壓回彈模量值采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)瀝青混合料圓柱體。 單軸壓縮試驗方法確定試驗得到20 ℃下的抗壓回彈模量值， 其中泊松比取值參考公路設計手冊。

計算到標準溫度20 ℃下的抗壓回彈模量值，就可以推算其他溫度的相應模量值，溫度與反算模量之間的關系如式（2）

其中:θ 為溫度值。當溫度為θ 時的抗壓回彈模量值；Ep20為溫度為標準溫度(20 ℃)時的抗壓回彈模量值。

2.3 力學計算結果

采用BISAR 3.0 計算兩種柔性路面結構的路表彎沉值和各層層底拉壓應力以及剪應力，本次計算選取輪隙中心為計算點，荷載采用雙圓均布垂直荷載，且為標準軸載BZZ-100，輪載P=25 kN，輪壓p=0.7 MPa，半徑d=0.1 065 m。 層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)x 軸為行車方向，y 軸為橫斷面方向，z 軸為路面結構深度方向計算時材料參數(shù)模量值、泊松比采用表3 中給出的值。

（1）路表彎沉是路基和路面結構層不同深度處豎向變形的總和， 是表征路面結構總體剛度的指標， 能夠反映路面整體承載能力和使用狀況的好壞，兩種路面結構路表彎沉各不相同。

可以看出: 兩種路面結構的路表彎沉值隨著溫度升高逐漸增大，且為線性趨勢，增價幅度相同，結構2 路表彎沉略<結構1，在荷載與土基支承相同條件下，彎沉值越大，則結構總體剛度越小，其抗壓入、抗彎曲與抗變形能力越小， 則結構2 剛度比結構1大，在這主要與兩種路面結構基層材料、厚度有關。

表3 路面結構1 和結構2 各結構層材料的抗壓回彈模量

（2）在行車荷載作用下路面結構內(nèi)部水平方向會出現(xiàn)壓應力和拉應力，根據(jù)《公路瀝青路而設計規(guī)范》（JTG D50-2006）規(guī)定，控制瀝青路而整體性結構層疲勞開裂的是層底最大拉應力，而非水平拉應力。 因此根據(jù)Bisar 符號規(guī)定:“+’，為拉應力；“-’，為壓應力，兩種路面結構下面層層底拉(壓)應力如圖1 所示。

圖1 下面層層底拉(壓)應力隨溫度變化曲線

從圖1 中可以看出，路面結構2 下面層層底為拉應力， 該結構的層底拉應力隨溫度增加逐漸減小，并且減小速率逐漸變小;結構1 下面層層底受到的壓應力會隨著溫度的升高逐漸增大，并且增大速率逐漸減小; 結構1 在溫度為-20 ℃時下面層層底為拉應力，但其隨著溫度的升高由拉應力逐漸變?yōu)閴簯?。由于瀝青混合料抗拉強度要遠小于抗壓強度，路面結構破壞一般是由于層底拉應力過大造成的，壓應力影響不大。

（3）根據(jù)計算結果將兩種路面結構在不同溫度時的基層層底拉應力進行匯總， 從圖2 中可以看出，路面結構1 的基層層底拉應力遠大于結構2 的基層層底拉應力，這是由于路面結構1 的瀝青碎石基層承受較大層底拉應力，而結構2 基層為級配碎石，不承受拉應力，不需要進行基層層底拉壓應力驗算設計。

（4）層底剪應力會造成瀝青混合料黏結性的破壞，所以說剪切破壞是柔性基層路面損壞的主要形式之一。車轍、推移、面層裂紋都是在荷載反復作用下產(chǎn)生的，其中級配碎石基層不需要進行基層層底剪應力驗算設計，瀝青碎石基層路面結構1 各結構層層底剪應力如圖2 所示。

分析圖2 可以看出， 路面結構1 基層承受的剪應力最大，其次為上面層，下面層剪應力最小在溫度為-20 ℃,結構層的剪應力最大，隨著溫度的升高，各結構層層底的剪應力逐漸減小， 其中上面層和基層的減小幅度較大，中面層和下面層基本不受影響。

圖2 基層層底拉應力隨溫度變化曲線

3 結論

對兩種路面結構方案采用BISAR 3.0 程序計算行車荷載和溫度作用下的路面力學行為，得到以下主要結論:

（1）路面結構1 路表彎沉值略大于結構2 在荷載與土基支承相同條件下，彎沉值越大，則結構總體剛度越小，其抗壓入、抗彎曲與抗變形能力越小，則路面結構1 總體剛度比結構2 小，說明在彎沉值一樣條件下，結構1 的抗變形能力沒有結構2 好。

（2）在不同溫度下的行車承載的負荷，路面結構1 出現(xiàn)在瀝青碎石基層的結構力學的最大拉應力。 路面結構的最大拉伸應力為在下面層-20 ℃，兩種路面結構經(jīng)受一定的拉伸應力， 隨溫度的增加， 在這兩個路面結構的垂直應力和主壓應力，在基本水平的主拉應力，以下級配碎石基層瀝青路面為拉應力。

（3）在溫度為-20 ℃時，路面結構1 瀝青碎石基層承受的剪應力最大，其次為上面層，下面層剪應力最小。 隨著溫度的升高，各結構層層底的剪應力逐漸減小， 其中上面層和基層的減小幅度較大，中面層和下面層基本不受影響。