路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響

吉世鵬

【摘要】伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷提升，交通量也迅速增長(zhǎng)，為滿足車輛荷載日益增大的發(fā)展趨勢(shì)，必須重視公路路面建設(shè)。瀝青路面作為公路建設(shè)的主要構(gòu)成部分，瀝青路面厚度設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括路表回彈彎沉值、瀝青混凝土層與半剛性材料層的層底拉應(yīng)力等，本文在給出一定計(jì)算公式的前提下，針對(duì)主要參數(shù)路基回彈模量E0等因素對(duì)路面厚度設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了分析與探究。

【關(guān)鍵詞】路基回彈模量衰減；概況；公路瀝青路面；厚度設(shè)計(jì)；影響；設(shè)計(jì)指標(biāo)確定；計(jì)算結(jié)果

自上個(gè)世紀(jì)50—90年代，我國(guó)對(duì)公路路基回彈模量相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了大量分析，在各個(gè)版本的設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)，都以路表彎沉作為路面設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。路表彎沉是指荷載作用下路面整體結(jié)構(gòu)的豎向位移量，其對(duì)路面整體結(jié)構(gòu)抗彎形能力直接反映，也就是路面整體結(jié)構(gòu)的總剛度。路基回彈模量是對(duì)路基強(qiáng)度的反映，是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其直接影響著路表彎沉，因此必須對(duì)路基隨時(shí)間改變導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題進(jìn)行充分考慮。瀝青路面作為公路工程的主要構(gòu)成部分，路基回彈模量衰減直接影響著路面厚度設(shè)計(jì)的合理性。為此，公路路面設(shè)計(jì)中，必須重視路基回彈模量衰減的重要性，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果，全面提升設(shè)計(jì)合理性、規(guī)范性。

一、回彈模量的概況

回彈模量是指荷載作用下路基、路面與筑路材料發(fā)生的應(yīng)力和其相關(guān)的回彈應(yīng)變比值，土基回彈模量是指彈性變形階段內(nèi)土基在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力，當(dāng)垂直荷載為定值，土基回彈模量值增加將出現(xiàn)垂直位移變小的情況。當(dāng)豎向位移為定值，增加回彈模量值，土基承受荷載作用的能力就會(huì)增大?；诖?，可選取回彈模量作為路面設(shè)計(jì)土基抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。路基作為公路工程施工主要構(gòu)成部分，其質(zhì)量將對(duì)公路整體質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，回彈模量作為公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因土質(zhì)、含水量、壓實(shí)度等因素的制約，將導(dǎo)致路基回彈模量衰減，甚至超出設(shè)計(jì)允許范圍，進(jìn)而對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)造成影響，并減短公路使用年限，增加行車安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，必須對(duì)路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行探究，本文選取理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，對(duì)路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析，以此為公里瀝青路面厚度合理設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

二、設(shè)計(jì)指標(biāo)確定與瀝青路面厚度計(jì)算

1、設(shè)計(jì)指標(biāo)確定

在公路路面結(jié)構(gòu)計(jì)算中設(shè)計(jì)指標(biāo)往往選取路面設(shè)計(jì)彎沉值與瀝青層、半剛性基層容許拉應(yīng)力，其設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算公式：

其中，設(shè)計(jì)彎沉值由ld表示；

公路等級(jí)系數(shù)由Ac表示；

路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)由Ab表示；

面層類型系數(shù)由As表示。

瀝青混凝土層、半剛性材料層容許層底拉應(yīng)力計(jì)算公式：

其中，路面結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力由σR表示；

瀝青混凝土或半剛性材料的極限劈裂強(qiáng)度由σS表示；

抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)由Ks表示（瀝青混凝土層Ks算式為；無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料類的Ks算式為；無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土類的Ks算式為）。

2、計(jì)算瀝青路面厚度

按照多層彈性理論，假設(shè)層間接觸條件為完全連續(xù)體系，在雙圓均布荷載影響下，公路瀝青路面厚度計(jì)算時(shí)，則由ls代表的輪隙中心位置路表計(jì)算彎沉值必須對(duì)設(shè)計(jì)彎沉值ld小或相同，其公式如下：

公式內(nèi)，路表計(jì)算彎沉值由ls表示；

標(biāo)準(zhǔn)車型輪胎接地壓強(qiáng)由P表示；

當(dāng)量圓半徑由δ表示；

理論彎沉系統(tǒng)由ac表示；

彎沉綜合修正系數(shù)由F表示；

路面各結(jié)構(gòu)層厚度由h1，h2，h3…，hn-1表示；

路面各層材料抗壓回彈模量由E1，E2，E3…，En-1表示；

路基回彈模量由E0表示。

三、路基回彈模量衰減對(duì)瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響

現(xiàn)階段，我國(guó)普遍選取預(yù)估方式對(duì)路基回彈模量進(jìn)行確定，并確保瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的正確性、合理性。假設(shè)設(shè)計(jì)公路投入使用一定時(shí)間后，由E'0表示實(shí)際路基回彈模量衰減值，公式如下：

其中，E'0相對(duì)應(yīng)的彎沉綜合修正系數(shù)由F′表示，將其向彎沉值計(jì)算公式內(nèi)帶入，獲得在此基礎(chǔ)上可得出路基回彈模量衰減率因Ex小于E0，因此，如路基回彈模量衰減率符合相應(yīng)條件后，即可得出路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響程度。

四、實(shí)際案例分析

1、案例分析

某公路工程為雙向二級(jí)公路，選取瀝青路面作為公路路面形式，預(yù)測(cè)在投入使用后該公路第一年均當(dāng)量軸次為每天1200次，8%為設(shè)計(jì)交通年增長(zhǎng)率。工程具體情況如下：黏性土質(zhì)為該公路主要土質(zhì)，3.17米為其地下水與路槽間的距離，中濕類為路基的類型，185厘米為本公路最大凍深。

2、計(jì)算結(jié)果

表1 路面結(jié)構(gòu)厚度

按照以上公式對(duì)路面結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，按照由上到下的順序分析，本公路路面結(jié)構(gòu)層依次為中粒式瀝青混凝土、粗粒式瀝青混凝土等，具體如表1所示。

3、路基回彈模量衰減產(chǎn)生的影響

假如使用過(guò)程中，公路路基回彈模量衰減在20%左右，23.2Mpa為路基回彈模量具體值，此時(shí)通過(guò)計(jì)算可獲取彎沉值與路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)路基回彈影響公路瀝青路面厚度的程度進(jìn)行準(zhǔn)確判定。

（1）路表彎沉理論探究。計(jì)算結(jié)果表明，路基回彈模量衰減在20%以上，其彎沉值計(jì)算則會(huì)增多22.7%，這就表明路基回彈模量衰減將嚴(yán)重影響到計(jì)算彎沉，甚至?xí)?duì)其實(shí)際值大于設(shè)計(jì)值產(chǎn)生影響。為對(duì)路基回彈模量衰減影響路表彎沉值進(jìn)一步研究，設(shè)想路面結(jié)構(gòu)層條件不改變，路基回彈模量為以下幾種情況：10、20、30Mpa等，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。由此得出，在不斷增加路基回彈模量衰減時(shí)，計(jì)算彎沉值也會(huì)加大，為此，必須盡可能降低路基回彈模量衰減。

（2）基層底面拉應(yīng)力理論分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，假設(shè)路基回彈模量衰減在20%以上，對(duì)瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力的影響較小，但碎石基層底面彎拉應(yīng)力則會(huì)增多7.41%，其增加度與路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力需求相符。針對(duì)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層常常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，其原因與層底拉應(yīng)力息息相關(guān)。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，因車輛荷載影響，瀝青路面將始終處于應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，這樣不僅會(huì)減小路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在瀝青路面荷載符合一定條件的情況下，層底拉應(yīng)力將導(dǎo)致路面開裂問(wèn)題。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷提升及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)公路工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，公路往往會(huì)產(chǎn)生路基回彈模量衰減等現(xiàn)象，這種情況的長(zhǎng)期存在，將嚴(yán)重影響到公路瀝青路面厚度。據(jù)以上分析，路基回彈模量衰減在20%以上，設(shè)計(jì)公路瀝青路面厚度與實(shí)際應(yīng)用需求不符，基于此，分析路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響尤為重要。

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