考慮溫度變化的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

劉錦濤，童申家，張 偉，肖琪聃，謝廣才

(1.信陽師范學(xué)院 土木工程學(xué)院, 河南 信陽 464000；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

0 引言

我國對(duì)于柔性基層瀝青路面研究才剛剛起步，對(duì)該類路面結(jié)構(gòu)的破壞類型及破壞機(jī)理有待于進(jìn)一步研究，而且大量必要的研究數(shù)據(jù)的積累還需要一個(gè)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(yàn)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性，我國在柔性基層瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)無法直接采用國外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1-4].研究發(fā)現(xiàn)，影響柔性基層瀝青路面路用性能最主要的因素是外界環(huán)境的溫度變化，導(dǎo)致瀝青路面破壞的主要因素是規(guī)律反復(fù)作用的行車荷載及溫度的交變作用[5].我國目前缺少用于指導(dǎo)控制公路瀝青路面設(shè)計(jì)的指標(biāo)參數(shù)[6].因此，準(zhǔn)確分析柔性基層瀝青路面在不同溫度下的應(yīng)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(shí)際意義[7].本文根據(jù)常用的柔性基層材料，擬定了兩種柔性路面結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析其在不同溫度下路表彎沉、面層層底拉應(yīng)力與剪應(yīng)力以及基層層底拉應(yīng)力與剪應(yīng)力的變化規(guī)律，從而探索最優(yōu)路面結(jié)構(gòu)形式.

1 路面結(jié)構(gòu)方案

柔性基層具有較好的抗彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和耐疲勞性，并且由于柔性基層材料屬于黏彈性材料，溫度的變化對(duì)其體積影響不大，不易產(chǎn)生收縮開裂.本文設(shè)計(jì)兩種柔性基層路面結(jié)構(gòu)，即級(jí)配碎石和瀝青穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)，探索最優(yōu)柔性路面結(jié)構(gòu)組合形式.路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示.

2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

采用BISAR3.0計(jì)算行車荷載在不同溫度下兩種柔性基層瀝青結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，分析比較應(yīng)力變化規(guī)律，探索最優(yōu)柔性路面結(jié)構(gòu)形式.計(jì)算過程分為三個(gè)步驟：首先計(jì)算出兩種路面結(jié)構(gòu)在不同路表溫度下的溫度場；其次根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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；最后采用BISAR3.0程序計(jì)算出各個(gè)路面結(jié)構(gòu)層在不同溫度下的應(yīng)力和路表彎沉值.

表1 兩種路面結(jié)構(gòu)組合形式

2.1 溫度場的計(jì)算

假定路面體內(nèi)的基準(zhǔn)溫度為0 ℃，在基準(zhǔn)狀況下路表無溫度變化，其路面體內(nèi)溫度依然為0 ℃[8].在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(jì)算時(shí)路表溫度取-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃；路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度場可以采用式(1)進(jìn)行計(jì)算[9]：

(1)

其中：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(diǎn)至路表面的距離.

按照公式(1)計(jì)算出各個(gè)路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2各層中點(diǎn)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(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)瀝青混合料圓柱體單軸壓縮試驗(yàn)方法確定. 試驗(yàn)得到20 ℃下的抗壓回彈模量值如表3所示，其中泊松比取值參考公路設(shè)計(jì)手冊(cè).

表3 路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)

從表3中得到標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的抗壓回彈模量值，就可以推算其他溫度的相應(yīng)模量值[10]，如表4所示.溫度與反算模量之間的關(guān)系如式(2)：

(2)

其中：θ為溫度值；Epθ為溫度為θ時(shí)的抗壓回彈模量值；Ep20為溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)時(shí)的抗壓回彈模量值.

2.3 力學(xué)計(jì)算結(jié)果

采用BISAR 3.0計(jì)算兩種柔性路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值和各層層底拉壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力，本次計(jì)算選取輪隙中心為計(jì)算點(diǎn)，荷載采用雙圓均布垂直荷載，且為標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪載P=25 kN，輪壓p=0.7 MPa，半徑d=0.106 5 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(jié)構(gòu)深度方向.計(jì)算時(shí)材料參數(shù)模量值、泊松比采用表4中給出的值[11].

計(jì)算結(jié)果見圖1—圖4.

(1)路表彎沉是路基和路面結(jié)構(gòu)層不同深度處豎向變形的總和，是表征路面結(jié)構(gòu)總體剛度的指標(biāo)，能夠反映路面整體承載能力和使用狀況的好壞[11].兩種路面結(jié)構(gòu)路表彎沉如圖1所示.

表4 路面結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2各結(jié)構(gòu)層材料的抗壓回彈模量

注： 級(jí)配碎石和天然砂礫的回彈模量取值與溫度無關(guān),仍取規(guī)范推薦值.

從圖1中可以看出：兩種路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值隨著溫度升高逐漸增大，且為線性趨勢，增價(jià)幅度相同，結(jié)構(gòu)2路表彎沉略小于結(jié)構(gòu)1.在荷載與土基支承相同條件下，彎沉值越大，則結(jié)構(gòu)總體剛度越小，其抗壓入、抗彎曲與抗變形能力越小，則結(jié)構(gòu)2剛度比結(jié)構(gòu)1大，在這主要與兩種路面結(jié)構(gòu)基層材料、厚度有關(guān).

圖1 路表彎沉隨溫度變化曲線對(duì)比

(2)在行車荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平方向會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，由《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)知，控制瀝青路面整體性結(jié)構(gòu)層疲勞開裂的是層底最大拉應(yīng)力，而非水平拉應(yīng)力.因此根據(jù)Bisar符號(hào)規(guī)定：“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力[11]，兩種路面結(jié)構(gòu)下面層層底拉(壓)應(yīng)力如圖2所示.

圖2 下面層層底拉(壓)應(yīng)力隨溫度變化曲線

從圖2中可以看出：路面結(jié)構(gòu)2下面層層底為拉應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力隨溫度增加逐漸減小，并且減小速率逐漸變小；結(jié)構(gòu)1下面層層底受到的壓應(yīng)力會(huì)隨著溫度的升高逐漸增大，并且增大速率逐漸減??；結(jié)構(gòu)1在溫度為-20 ℃時(shí)下面層層底為拉應(yīng)力，但其隨著溫度的升高由拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力.由于瀝青混合料抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，路面結(jié)構(gòu)破壞一般是由于層底拉應(yīng)力過大造成的，壓應(yīng)力影響不大.

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果將兩種路面結(jié)構(gòu)在不同溫度時(shí)的基層層底拉應(yīng)力進(jìn)行匯總，如圖3所示.從圖3中可以看出，路面結(jié)構(gòu)1的基層層底拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)2 的基層層底拉應(yīng)力，這是由于路面結(jié)構(gòu)1的瀝青碎石基層承受較大層底拉應(yīng)力，而結(jié)構(gòu)2基層為級(jí)配碎石，不承受拉應(yīng)力，不需要進(jìn)行基層層底拉壓應(yīng)力驗(yàn)算設(shè)計(jì).

圖3 基層層底拉應(yīng)力隨溫度變化曲線

(4)層底剪應(yīng)力會(huì)造成瀝青混合料黏結(jié)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(fù)作用下產(chǎn)生的.其中級(jí)配碎石基層不需要進(jìn)行基層層底剪應(yīng)力驗(yàn)算設(shè)計(jì)，瀝青碎石基層路面結(jié)構(gòu)1各結(jié)構(gòu)層層底剪應(yīng)力如圖4所示.

圖4 面層層底剪應(yīng)力隨溫度變化曲線

從圖4中可以看出：路面結(jié)構(gòu)1基層承受的剪應(yīng)力最大，其次為上面層，下面層剪應(yīng)力最小.在溫度為-20 ℃，結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力最大，隨著溫度的升高，各結(jié)構(gòu)層層底的剪應(yīng)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.

3 結(jié)論

對(duì)兩種路面結(jié)構(gòu)方案采用BISAR 3.0程序計(jì)算行車荷載和溫度作用下的路面力學(xué)行為，得到以下主要結(jié)論：

(1)路面結(jié)構(gòu)1路表彎沉值略大于結(jié)構(gòu)2.在荷載與土基支承相同條件下，彎沉值越大，則結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)1總體剛度比結(jié)構(gòu)2小，說明在彎沉值一樣條件下，結(jié)構(gòu)1的抗變形能力沒有結(jié)構(gòu)2好.

(2)行車荷載在不同溫度作用下，路面結(jié)構(gòu)1的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在瀝青碎石基層，路面結(jié)構(gòu)2的最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在下面層.在-20 ℃時(shí)兩種路面結(jié)構(gòu)下面層都承受一定的拉應(yīng)力，隨著溫度的升高，豎向應(yīng)力在兩種路面結(jié)構(gòu)面層內(nèi)主要為壓應(yīng)力，基層內(nèi)主要為拉應(yīng)力.其中，級(jí)配碎石基層瀝青路面下面層所受的是拉應(yīng)力，瀝青碎石基層瀝青路面下面層所受的是壓應(yīng)力.

(3)在溫度為-20 ℃時(shí)，路面結(jié)構(gòu)1瀝青碎石基層承受的剪應(yīng)力最大，其次為上面層，下面層剪應(yīng)力最小.隨著溫度的升高，各結(jié)構(gòu)層層底的剪應(yīng)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.