復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力研究

王麗娟

(新疆西域公路建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

我國(guó)高速公路大量采用半剛性基層，這不可避免地使瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫，以致在通車初期就發(fā)生較嚴(yán)重的早期破壞［1］。為了防止該現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文提出3 種復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力進(jìn)行研究。

復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)就是在半剛性路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在半剛性基層與瀝青混凝土面層之間增加了一層起應(yīng)力分散作用的柔性材料，目前可以選用的柔性上基層材料有瀝青穩(wěn)定碎石和級(jí)配碎石，通常情況下只選擇兩種材料中的一種作為上基層，但也可以同時(shí)選用這兩種，就是用瀝青穩(wěn)定碎石作為下面層，級(jí)配碎石做上基層［2］。

1 復(fù)合式基層路面計(jì)算

復(fù)合式基層路面中，由于半剛性底基層提供了一個(gè)剛度大且平整的基礎(chǔ)平臺(tái)，上面的柔性基層在施工碾壓過(guò)程中更容易被壓實(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)碎石嵌擠緊密，結(jié)構(gòu)層能獲得更高的強(qiáng)度。下面就3 種復(fù)合式基層各自特點(diǎn)分析如下:

1)瀝青穩(wěn)定碎石上基層+無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定料底基層結(jié)構(gòu)。

瀝青穩(wěn)定碎石和瀝青混凝土的特性比較接近，這兩種材料的模量差別也不大，使得瀝青混凝土面層底部不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的彎拉應(yīng)力。較半剛性基層瀝青路面而言，這種結(jié)構(gòu)內(nèi)的各層應(yīng)力水平均較低。并且一般不用采取其他特殊的措施，瀝青混凝土就能很好地粘結(jié)在瀝青穩(wěn)定碎石上基層上，有利于延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命［3］。

2)級(jí)配碎石上基層+無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定料底基層結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)中的級(jí)配碎石層一方面能擴(kuò)散和吸收半剛性底基層裂縫尖端的應(yīng)力，能大大減小裂縫反射到瀝青混凝土面層中的可能性;另一方面，增加的級(jí)配碎石加大了半剛性底基層至路面的厚度，能擴(kuò)散車輪荷載的垂直壓應(yīng)力，同時(shí)，級(jí)配碎石還有保濕隔熱的功能，大大減小了半剛性底基層產(chǎn)生溫縮干縮裂縫的可能性。較高密度的級(jí)配碎石還能減弱上下兩側(cè)裂縫的沉降差傳遞，因此，這種結(jié)構(gòu)能有效地預(yù)防反射裂縫，能延長(zhǎng)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的壽命。

3)瀝青穩(wěn)定碎石下面層+級(jí)配碎石上基層+無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料底基層結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)兼具上述兩種結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，并且瀝青穩(wěn)定碎石兼具路面面層結(jié)構(gòu)的功能，故可適當(dāng)減小瀝青混凝土面層的厚度，能夠節(jié)約成本。但瀝青穩(wěn)定碎石材料各項(xiàng)路用指標(biāo)較瀝青混凝土稍差，因此，這種路面結(jié)構(gòu)的行車舒適性不如第1 種結(jié)構(gòu)。

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

第1 種和第2 種結(jié)構(gòu)均為一種柔性材料的復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)，因此，選取第1 種和第3 種結(jié)構(gòu)形式做力學(xué)計(jì)算分析，具體結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)如表1［4］。

表1 結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)3 各層厚度及材料參數(shù)

1.2 計(jì)算模型

采用荷蘭殼牌石油公司開(kāi)發(fā)的BISAR 3.0 軟件進(jìn)行計(jì)算，并假設(shè)結(jié)構(gòu)層各層完全連續(xù)?？紤]到現(xiàn)今交通發(fā)展的趨勢(shì)是超載超重現(xiàn)象越來(lái)越頻繁，并且路面結(jié)構(gòu)性損害主要是重載交通造成的。因此，本文選用的是超載汽車軸載模型，如表2。

表2 超重汽車軸載模型

在BISAR3.0 軟件中，擬定行車方向?yàn)閄 軸，垂直于行車方向的車軸方向?yàn)閅 軸，路面深度方向?yàn)閆 軸。在本模型中，荷載和材料都是對(duì)稱布置的，結(jié)構(gòu)內(nèi)的受力最不利位置在Y 軸上，因此，在Y 軸的正負(fù)方向共選取17 個(gè)點(diǎn)分析其應(yīng)力應(yīng)變情況，每個(gè)點(diǎn)的水平間距取1/2 輪壓半徑，即0.5R=0.058 7，具體點(diǎn)坐標(biāo)詳見(jiàn)表3［5］。

表3 力學(xué)分析點(diǎn)水平坐標(biāo)

垂直方向上靠近路面頂面每1 cm 取一個(gè)層面，越往下越稀疏。

2 剪應(yīng)力分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

選取的復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)按15 ℃時(shí)的模量值，通過(guò)BISAR3.0 計(jì)算其在軸重為140 kN 的雙圓荷載下，面層結(jié)構(gòu)層中部及各結(jié)構(gòu)層層底剪應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)1、3各層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

用Matlab7.0 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三維處理顯示，結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)1 剪應(yīng)力三維圖

圖2 復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)3 剪應(yīng)力三維圖

其中，復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)3 的最大剪應(yīng)力分別為0.257 MPa 和0.264 MPa。

2.2 結(jié)果分析

為了更直觀的觀察分析，將表4 制成橫坐標(biāo)為道路深度，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力大小的折線圖，如圖3。

圖3 復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)1、3 各層剪應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析圖

通過(guò)觀察分析圖1 和圖2 可知，復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力一般發(fā)生在路面以下大約18 cm 左右的位置。荷載中心的剪應(yīng)力并不是沿著路面深度方向慢慢減弱的，而是先突然增大到一個(gè)峰值，再減小，然后再在柔性基層和半剛性基層結(jié)合處再出現(xiàn)個(gè)次峰值，最后沿路面深度方向慢慢減弱。值得注意的是，沿路面橫斷面方向上，剪應(yīng)力的最大值并不是產(chǎn)生于單圓荷載的中心位置，而是產(chǎn)生在雙圓荷載中的輪壓兩側(cè)的路表面下，由此不難理解，在高溫重載條件下，瀝青路面容易產(chǎn)生車轍的原因了。比較圖1 和圖2 還可以清楚的看到，結(jié)構(gòu)1 中的基層剪應(yīng)力峰值要小于結(jié)構(gòu)3 的，并且峰值出現(xiàn)的深度要深于后者，有利于路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用壽命。

由圖1 和圖2 還可以看出，結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力關(guān)于荷載中心軸完全對(duì)稱，在路面結(jié)構(gòu)層中，剪應(yīng)力分布復(fù)雜，而路面結(jié)構(gòu)基層中的剪應(yīng)力基本較均勻，由此可知，修筑復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)路面時(shí)尤其應(yīng)該注意面層的質(zhì)量控制。復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的高水平剪應(yīng)力區(qū)通常分布在路面結(jié)構(gòu)的中面層范圍內(nèi)，其次，結(jié)構(gòu)1 的面層與基層結(jié)合處和結(jié)構(gòu)3 的柔性基層與半剛性基層結(jié)合處也是高水平剪應(yīng)力區(qū)。兩單圓荷載中心區(qū)域處于較高水平的三相應(yīng)力環(huán)境下，剪應(yīng)力水平不是很高，反而兩單圓荷載的外側(cè)路面結(jié)構(gòu)中的剪應(yīng)力較大，并且向Y 軸絕對(duì)值增大的方向逐漸減弱。

由圖3 可知，復(fù)合式基層路面瀝青路面結(jié)構(gòu)1的剪應(yīng)力最大值在路面深度13 cm 的AC－20C 中面層與AC－25F 下面層的結(jié)合處，為0.253 MPa，而復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)3 的最大剪應(yīng)力在路面深度29 cm 的ATB－25 下面層與級(jí)配碎石上基層的結(jié)合處，為0.258 MPa。兩者的剪應(yīng)力值雖然差不不大，但仍可以看出后者的最大剪應(yīng)力值略大于前者，這是由于復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)3 的面層厚度只有15 cm 遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)1 的25 cm。

僅從單圓荷載中心沿深度方向來(lái)看路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力變化趨勢(shì)可知，剪應(yīng)力在中面層、面層與基層結(jié)合處有2 個(gè)峰值，對(duì)于均勻的半空間無(wú)限體結(jié)構(gòu)模型在類似的雙圓均布荷載下一般只會(huì)在距頂部不遠(yuǎn)處只產(chǎn)生一個(gè)峰值，復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生第2 個(gè)峰值的主要原因是瀝青面層與級(jí)配碎石材料的差異較大，特別是模量比較大。

通過(guò)對(duì)兩種不同的復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在超載雙圓均布荷載作用下的剪應(yīng)力分析可知，復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿路面深度方向剪應(yīng)力曲線形狀基本相同，即將在中面層、面層和基層結(jié)合處出現(xiàn)2 個(gè)峰值，曲線具體的起伏大小與具體的材料特性有關(guān)。

3 兩種復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)對(duì)比

本文選用的復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)1 中，包括12 cm 厚的ATB－30 在內(nèi)的結(jié)構(gòu)層在內(nèi)，半剛性基層結(jié)構(gòu)以上厚度高達(dá)37 cm。ATB－30 與上中下3 層瀝青混合料材料特性相似，能較好的粘結(jié)在一起，能充分發(fā)揮瀝青混合材料的抗疲勞性能，半剛性基層剛度大、整體性強(qiáng)，下臥深度深更能發(fā)揮其分散路面汽車荷載的作用，一定程度上能減小汽車荷載引起的路基內(nèi)部的剪應(yīng)力。若采用較厚面層結(jié)構(gòu)的瀝青路面，瀝青混合料層底彎拉應(yīng)力、應(yīng)變將會(huì)減小，瀝青混合料面層產(chǎn)生疲勞裂縫的概率將大大降低，能大大延長(zhǎng)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命［6］。瀝青穩(wěn)定碎石材料較瀝青混凝土，材料內(nèi)部流動(dòng)性差，在下臥的整體板塊性強(qiáng)的半剛性基層上面鋪裝，其能獲得更加密實(shí)的效果，復(fù)合式基層中的瀝青穩(wěn)定碎石不容易發(fā)生剪切流動(dòng)現(xiàn)象。瀝青穩(wěn)定碎石作基層，能較好的與材料性能相似瀝青混凝土面層粘結(jié)在一起，限制瀝青混凝土的剪切流動(dòng)，能減輕瀝青路面車轍病害。從結(jié)構(gòu)1 與結(jié)構(gòu)3 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，瀝青面層厚的結(jié)構(gòu)，整體的剪應(yīng)力水平也會(huì)降低，這一方面也能減小車轍病害產(chǎn)生。

本文選用的復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)3 中，較結(jié)構(gòu)1 相比把12 cm 厚的AC－25F 下面層替換14 cm 后的ATB－25，用22 cm 后的級(jí)配碎石做上基層與下臥的半剛性基層組合成另一種形式的復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)級(jí)配碎石的功能特點(diǎn)是:分散了汽車荷載對(duì)半剛性底基層的應(yīng)力，減弱了汽車荷載對(duì)半剛性底基層的疲勞作用，延長(zhǎng)了半剛性底基層的疲勞壽命。在半剛性底基層產(chǎn)生裂縫后，一方面，級(jí)配碎石幾乎不具有抗拉能力，能消散半剛性底基層裂縫尖端處的應(yīng)力集中;另一方面，級(jí)配碎石“自愈”能力強(qiáng)，在汽車荷載作用下，級(jí)配碎石中的細(xì)小顆粒能重新移動(dòng)彌合半剛性基層產(chǎn)生的裂縫變形。這兩方面都能有效的預(yù)防半剛性基層產(chǎn)生裂縫后向上反射形成反射裂縫。在此結(jié)構(gòu)中，級(jí)配碎石還有一個(gè)功能就是“保溫”、“隔濕”的作用，級(jí)配碎石加厚了半剛性底基層距離路表面的距離，減弱了半剛性底基層受環(huán)境影響發(fā)生干縮溫縮的影響。結(jié)構(gòu)3 中，級(jí)配碎石從這幾個(gè)方面都減小了整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反射裂縫的可能性，能有效的延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命［7］。

4 結(jié)語(yǔ)

1)復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)是在預(yù)防半剛性基層瀝青路面發(fā)生反射裂縫病害的基礎(chǔ)上提出的，從目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這種路面結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)能有效的預(yù)防反射裂縫的產(chǎn)生，延長(zhǎng)路面的使用壽命。并且復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)從成本和施工技術(shù)難度來(lái)說(shuō)，都與我國(guó)大規(guī)模建設(shè)使用的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)差異不大，在我國(guó)推廣具有可行性。

2)復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力的分布情況:荷載橫斷面上，剪應(yīng)力的最大值既不在兩個(gè)單圓荷載連線的中間，也不再單圓荷載的中心，而是在單圓荷載兩側(cè)的路表面以下一點(diǎn);路面深度方向，剪應(yīng)力會(huì)在中面層、面層與基層結(jié)合處出現(xiàn)2 個(gè)峰值，具體的應(yīng)力曲線與結(jié)構(gòu)材料的特性有關(guān)。從復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選擇抗剪性能良好的中面層材料和處理好面層與基層之間的過(guò)渡對(duì)于延長(zhǎng)整個(gè)路面的使用壽命同等重要。

3)較厚的瀝青面層結(jié)構(gòu)，路面的剪應(yīng)力水平也會(huì)降低，同等荷載條件下，能減弱汽車荷載對(duì)路面的疲勞作用強(qiáng)度，延長(zhǎng)路面的疲勞壽命。

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