不同軸載對含應力吸收層瀝青路面的影響分析

姜利　趙建峰

摘要：分析瀝青混合料應力吸收層在含有裂縫的半剛性基層復合式路面中的受力狀況，對于選擇應力吸收層材料和設計道路結構具有指導意義。采用有限元分析方法，建立含應力吸收層瀝青路面有限元模型，分析軸載和模量變化對應力吸收層結構的應力影響。結果表明：應力吸收層處于應力極為復雜的位置，尤其是處于裂縫處應力吸收層層底應力集中現(xiàn)象明顯，隨著應力吸收層模量在一定范圍內的提高，能夠緩解應力集中現(xiàn)象；隨著軸載增大，應力吸收層層底應力明顯增加，道路使用壽命降低。

關鍵詞：應力吸收層；瀝青路面；軸載；反射裂縫；應力集中

中圖分類號：U 416.2；S 773.3文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0088-04

Analysis on the Effects of Different Axle Load on Asphalt

Pavement with Stress Absorbing Layer

Jiang Li，Zhao Jianfeng

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：The analysis on the stress situation of stress absorbing layer of asphalt mix in the semirigid composite pavement that contains cracks has important significance for the selection of stress absorbing layer materials and road structure design.In this paper，a finite element model was established based on the stress absorbing layer in asphalt pavement by finite element analysis method，and the influence of axle load and the modulus of stress absorbing layer on the loading stress of stress absorbing layer was analyzed.The results indicated that the stress absorbing layer was in the position where the stress was extremely complex.The stress concentration was especially obvious on the bottom of the absorbing layer at the cracks.With the increase of the modulus of stress absorbing layer within a certain range，the stress concentration can be relieved.With the increase of axle load，the stress on the bottom of stress absorbing layer increased significantly and the life of the road reduced.

Keywords： stress absorbing layer；asphalt pavement；axle load；reflective cracks；stress concentration

收稿日期：2014-06-10

基金項目：交通運輸部科技項目（2009318000088）

第一作者簡介：姜利，碩士，副教授。研究方向：道路工程。Email：jiangli_nefu@126.com

引文格式：姜利，趙建峰.不同軸載對含應力吸收層瀝青路面的影響分析[J].森林工程，2015，31（1）：88-91.目前在我國已建成高等級公路中，90%以上瀝青路面采用半剛性基層這種結構形式，半剛性基層有諸多優(yōu)點，其承載能力和抗變形能力強、抗凍性良好以及成本低等優(yōu)點；不過半剛性基層最大的缺點就是容易因為干縮或者溫縮而產生裂縫，最后產生嚴重的路面破壞[1]。反射裂縫是目前瀝青路面普遍存在的病害形式之一。反射裂縫的出現(xiàn)，不僅破壞了路面的整體性和連續(xù)型，影響路表的美觀[2]；更為嚴重的是所產生的裂縫為路表水提供了下滲的通道，使路表水通過裂縫進入基層和路基，大大削弱了路基的強度和剛度，加速了瀝青路面的破壞，嚴重影響了路面的使用性能[3-4]。

近年來，道路上不斷出現(xiàn)許多重載和超載車輛，在行駛過程中，會加快道路破壞，嚴重影響道路的使用壽命[5]。在面層和開裂的半剛性基層之間設置應力吸收層是一種有效的防治反射裂縫的措施，應力吸收層不僅可以消除應力集中，減緩裂縫向瀝青面層的擴展，還可以隔斷路表水下滲的通道，防止其進入基層。應力吸收層處于瀝青面層和半剛性基層之間，裂縫尖端應力情況復雜，受力狀態(tài)對其不利[6-8]。因此，有必要對應力吸收層本身受力狀態(tài)進行分析。本文采用有限元分析軟件建立含應力吸收層瀝青路面有限元模型，分析交通荷載變化對應力吸收層的應力和道路使用壽命的影響以及結構層內應力分布規(guī)律，為含應力吸收層的瀝青路面結構組成提供參考。

1有限元計算模型和參數(shù)

1.1計算模型

視路面結構為彈性層狀體系，瀝青面層、應力吸收層、半剛性基層和地基均采用三維8節(jié)點線彈性等參元。對各結構層做如下假設：①各結構層為連續(xù)、均勻和各向同性的彈性體；②各層層間垂直和水平方向位移均連續(xù)；③結構物在受車輪荷載作用以前，視應力為0，不考慮路面結構的自重影響；④土基底面各向位移為0，土基側面水平方向位移為0；⑤半剛性基層的裂縫是貫通裂縫，裂縫尖端已達到面層底部，裂縫寬度假設為0.5 cm，且裂縫處無傳遞荷載能力。

1.2計算參數(shù)

研究表明車輪荷載作用在裂縫一側的偏荷載對瀝青路面最為不利，因此，采用偏荷載荷位進行計算比較合理[9]。在常溫下，應力吸收層混合料具有較低模量，從而抑制反射裂縫的擴展[10-11]。計算主要考慮不同荷載下應力吸收層內的應力變化，各結構層主要計算參數(shù)見表1。

第1期姜利等：不同軸載對含應力吸收層瀝青路面的影響分析

森林工程第31卷

為了定量分析軸載對含應力吸收層瀝青路面結構應力的影響，采用單軸軸載進行分析，以標準軸載100kN為最低值，按照40kN的增量進行遞增，軸載最高值為220KN，由于軸載變化，接地面積也應隨著改變，可根據(jù)比利時法的軸載與輪胎接地面積的經驗公式進行計算[12]。

A=（0.008P+152）±70。（1）

式中：A為輪胎接地面積；P為每個輪胎的荷載；±70為保證率達到95%的離差范圍。

接地面積和輪壓均隨軸載的增加而增加，圓心距31.95 cm不變，軸載與輪壓、接地面積的關系見表2。

表2不同軸載與接地壓強、接地面積和半徑關系

Tab.2 Relationship between axle load and pressure，area，and radius

軸重/kN100140180220接地面積/cm2357432512592輪壓/MPa0.7000.8100.8790.929半徑/cm10.6511.7312.7713.732不同軸載下的應力分析

在軸載作用下，含應力吸收層瀝青路面在半剛性基層裂縫處變形最大，裂縫對應處層底易產生應力集中，引發(fā)反射裂縫，因此，在進行應力計算時，主要考慮應力吸收層在裂縫處的最大主拉應力σ1和最大剪應力σmax。

2.1不同軸載下的最大主拉應力分析

當應力吸收層模量為400、600和800 MPa時，不同軸載下距路表不同深度的最大主拉應力計算結果見表3。

表3不同軸載下應力吸收層最大主拉應力

Tab.3 The maximum principal tensile stress of

stress absorbing layer under different axle load

深度

/m模量

/MPa不同軸載下最大主拉應力/MPa1001401802204000.1320.1530.1660.1750.1206000.1450.1680.1820.1928000.1530.2770.1920.2034000.1430.1650.1790.1890.1256000.1570.1820.1970.2088000.1660.1920.2080.2204000.1630.1890.2040.2160.1306000.1790.2070.2240.2378000.1900.2200.2380.2524000.1960.2270.2460.2600.1356000.2160.2490.2710.2868000.2290.2640.2870.3034000.2580.2980.3240.3420.1406000.2850.3300.3570.3788000.3020.3490.3790.4004000.4140.4790.5190.5490.1456000.4570.5280.5740.6068000.4860.5620.6100.645

由表3可知，在距路表深度0.120～0.125 m處，不同軸載下的最大主拉應力變化幅度較為緩慢，不同模量下的最大主拉應力為8.4%左右，隨著深度的增加，最大主拉應力的增長速率加快，在距路表深度0.140 m至應力吸收層層底時，應力吸收層應力增長迅速，在不同模量、不同軸載作用下應力增幅達到60.46%～60.93%。從層底拉應力的跳躍性變化可以看出，在重載作用下，應力吸收層的材料抗拉伸變形和疲勞變形是考驗其路用性能的重要指標，這要求對應力吸收層材料的抗拉伸性能和抗疲勞性能提出較高標準，從而抑制反射裂縫的形成。

2.2不同軸載下的最大剪應力分析

當應力吸收層模量為400、600和800 MPa時，不同軸載下的距路表不同深度的應力吸收層最大剪應力計算結果見表4。

表4不同軸載下應力吸收層最大剪應力

Tab.4 The maximum shear stress of stress

absorbing layer under different axle load

深度

/m模量

/MPa不同軸載下最大剪應力/MPa1001401802204000.2630.3040.3300.3490.1206000.2850.3290.3570.3788000.3010.3480.3770.3994000.2780.3210.3490.3690.1256000.2990.3450.3750.3968000.3140.3630.3940.4164000.2950.3410.3700.3910.1306000.3180.3680.3990.4228000.3390.3920.4250.4494000.3160.3650.3960.4190.1356000.3430.3960.4300.4558000.3710.4290.4650.4924000.3670.4240.4600.4870.1406000.4030.4660.5060.5348000.4360.5040.5470.5784000.5340.6170.6700.7080.1456000.5920.6840.7430.7858000.6320.7310.7930.838

由表4可以看出，隨著軸載的增大，最大剪應力呈增大趨勢。在應力吸收層上部，即距路表0.120～0.135 m段，最大剪應力在不同軸載作用下增幅緩慢，最大僅為9.44%；在0.135～0.140 m時，最大剪應力增加17.78%；在0.140～0.145 m時，最大剪應力增加了47.64%。由于最大剪應力在層底的大幅增加，會加劇材料的破壞和開裂，因此要求應力吸收層材料具有良好的抗剪切破壞能力。為了更好的反映應力吸收層模量對路面結構的影響，選取不同模量下瀝青面層底部應力，結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著應力吸收層模量的增加，在裂縫對應處應力吸收層內的應力有增大的趨勢，當模量由200 MPa增至1 200 MPa時，應力吸收層層底應力分別增長了18.1%、10.8%、6.7%、4.2%和2.1%。從應力角度可知，隨著模量的增加，應力吸收層層底應力呈增大趨勢，這對應力吸收層自身材料受力產生不利影響，但是隨著模量的增大，應力增幅減緩。隨著應力吸收層模量的增大，瀝青面層層底應力減小，但當模量增至800MPa時，面層層底應力逐漸呈現(xiàn)增大趨勢。雖然當應力吸收層模量較低時，對其本身受力有利，但低模量一方面會增大路面變形，降低路面整體結構強度；另一方面模量低意味著瀝青用量的增大，在施工時不利于碾壓，增大施工難度。因此，建議應力吸收層材料模量應為600～800 MPa。

圖1應力吸收層模量與層底應力的關系

Fig.1 Relationship between modulus of stress

absorbing layer and stress of the bottom

2.3不同軸載下應力吸收層層底應力分析

根據(jù)表3和表4可知，在裂縫對應處應力吸收層層底應力集中現(xiàn)象十分明顯，在不同軸載作用下，層底荷載應力隨著軸載的增加呈增長趨勢，當軸載從標準軸載100kN增至重載220kN時，層底荷載應力增加了約32.6%，由此可以看出道路受重載、超載的影響十分明顯，除選用具有優(yōu)良彈性變形能力以及抗疲勞能力的混合料作為應力吸收層材料外，還應嚴格限制重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生，從而防止道路過早產生破壞。

3不同軸載下道路使用壽命分析

針對高速公路重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生，選取某公路進行軸載調查，結果如圖2所示。

圖2軸載分布圖

Fig.2 Axle load distribution由圖2可知，100kN以下軸數(shù)比重較小，這部分軸載對道路產生的破壞不明顯，該公路軸載主要分布在120～160kN，達到總軸數(shù)的51.3%，引起路面破壞的主要軸載集中于此。另外，還有2.1%的軸載超過220kN，這類軸載的出現(xiàn)有可能對路面產生嚴重的破壞[13]。

根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定：

N=∑Ki=1C1C2ni（PiP）β。（2）

由公式（2）得，標準軸載當量軸次為22 506次/日。

該公路設計累計標準軸次為1.107×107次，設計年限15 a，年增長率為6.2%，車道系數(shù)為0.5，則根據(jù)累計標準軸次式得：

Ne=[（1+γ）t-1]×365γN1γ。（3）

若按設計累計標準軸次計算，則該公路到達該累計標準軸次的時間為2.53 a，這與設計年限相差很大，由此可見重載和超載對道路使用壽命的影響是十分巨大的。

3結論

（1）在含裂縫的半剛性基層上設置應力吸收層的瀝青路面結構，可有效緩解應力集中，減緩面層產生破壞。應力吸收層所受應力狀態(tài)復雜，在裂縫對應處應力吸收層層底應力集中現(xiàn)象明顯，應力吸收層材料應選用具有良好彈性變形能力的混合料，并重點檢驗其抗剪性和抗拉性，從而有效抑制反射裂縫的形成。

（2）隨著應力吸收層材料模量的提高，層底應力集中現(xiàn)象有所減緩，建議其模量選取在600～800 MPa。

（3）隨著軸載的增大，層底應力增長顯著。重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生，會減短道路的使用壽命，應嚴格限制重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生。

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[責任編輯：董希斌]