瀝青路面級(jí)配碎石基層強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)研究

李如敏 孫明山

(河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊 050006)

0 引言

隨著重載交通的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)以多層彈性理論為基礎(chǔ)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法正面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。對(duì)于當(dāng)前復(fù)雜的路面病害狀況，以應(yīng)力應(yīng)變?yōu)橹鞯穆访娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)已難以滿足設(shè)計(jì)需求，也未能充分考慮力學(xué)響應(yīng)規(guī)律和材料特性，從而導(dǎo)致瀝青路面耐久性嚴(yán)重不足[2]。目前瀝青路面的各結(jié)構(gòu)層基本上按全功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但結(jié)果很難與瀝青各結(jié)構(gòu)層力學(xué)和功能要求相適應(yīng)。本文基于重交通瀝青路面損壞機(jī)理、路面荷載響應(yīng)規(guī)律及材料特性等，從力學(xué)響應(yīng)入手，開展倒裝瀝青路面級(jí)配碎石基層的強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)研究。

1 研究方法

1.1 力學(xué)計(jì)算參數(shù)

基于BISAR3.0程序，分析瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)及荷載的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。在分析過(guò)程中，本文將路面結(jié)構(gòu)均視為線彈性層狀體系[3]。以河北寒區(qū)某倒裝瀝青路面為例，其路面結(jié)構(gòu)和計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

基于JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，荷載及計(jì)算點(diǎn)采用雙圓均布豎向荷載作為計(jì)算荷載，如圖1所示。

1.2 強(qiáng)度指標(biāo)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，瀝青路面結(jié)構(gòu)的損壞類型主要有面層的開裂和車轍以及基層的剪切破壞[4]。級(jí)配碎石基層發(fā)生剪切破壞的實(shí)質(zhì)是由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度而發(fā)生的剪切變形。因此，宜采用反映剪切變形能力的抗剪強(qiáng)度作為其強(qiáng)度控制指標(biāo)。本文分別選取CBR和抗壓強(qiáng)度作為級(jí)配碎石基層材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 級(jí)配碎石基層的力學(xué)響應(yīng)分析

對(duì)于級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層，由于路表拉應(yīng)力即使在較大荷載作用下數(shù)值仍然較小，故后文不再對(duì)設(shè)配碎石過(guò)渡層的瀝青路面進(jìn)行荷載作用下的路表拉應(yīng)力研究[5]?？紤]級(jí)配碎石容易發(fā)生塑性變形，故研究0.7 MPa荷載作用下級(jí)配碎石基層剪應(yīng)力分布規(guī)律，如圖2所示。

圖2表明， 級(jí)配碎石層剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在級(jí)配碎石層頂部O2點(diǎn)，故選O2點(diǎn)作為級(jí)配碎石層剪應(yīng)力研究點(diǎn)位。不同荷載作用下O2點(diǎn)級(jí)配碎石層剪應(yīng)力分布規(guī)律見圖3。由圖3可知，級(jí)配碎石層最大剪應(yīng)力隨荷載的增加線性增大。

2.2 級(jí)配碎石基層對(duì)各結(jié)構(gòu)層力學(xué)指標(biāo)的影響

為了便于計(jì)算與分析，選取級(jí)配碎石厚度范圍為12 cm～20 cm，模量范圍為300 MPa～800 MPa。級(jí)配碎石基層厚度和模量對(duì)面層層底拉應(yīng)力、級(jí)配碎石基層剪應(yīng)力及基層層底拉應(yīng)力最大值的影響規(guī)律如圖4～圖6所示。

由圖4可知，級(jí)配碎石模量在300 MPa～800 MPa之間變化時(shí)，最大可降低面層層底拉應(yīng)力約58%。當(dāng)級(jí)配碎石層厚度不變，模量為700 MPa時(shí)，所產(chǎn)生的面層層底拉應(yīng)力最小。由圖5可知，當(dāng)級(jí)配碎石層厚度不變時(shí)，隨著級(jí)配碎石層模量的增加，級(jí)配碎石層的剪應(yīng)力增大約17%。當(dāng)級(jí)配碎石層厚度為18 cm時(shí)，所產(chǎn)生的自身剪應(yīng)力相對(duì)最小。由圖6可知，當(dāng)級(jí)配碎石層厚度不變時(shí)，級(jí)配碎石層模量的變化對(duì)半剛性基層層底拉應(yīng)力無(wú)顯著影響。當(dāng)級(jí)配碎石層厚度由12 cm增大到20 cm時(shí)，可降低基層層底拉應(yīng)力約31%。結(jié)合上述力學(xué)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工要求，推薦該區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)級(jí)配碎石層最佳模量為700 MPa，最佳厚度取18 cm。

2.3 級(jí)配碎石基層的強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)

利用表1中的路面結(jié)構(gòu)和基本計(jì)算參數(shù)，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力；運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算柔性基層的壓應(yīng)力水平；由累計(jì)當(dāng)量軸次計(jì)算不同交通等級(jí)下的抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，并根據(jù)公路等級(jí)和交通等級(jí)的關(guān)系，計(jì)算重交通公路等級(jí)下，級(jí)配碎石基層材料的抗壓強(qiáng)度要求；綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工要求與計(jì)算結(jié)果，得到柔性基層材料的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)CBR與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，制定CBR標(biāo)準(zhǔn)。

1)壓應(yīng)力水平計(jì)算。

依據(jù)表1中的路面結(jié)構(gòu)和計(jì)算參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研該地區(qū)重交通公路對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次，采用ABQUES軟件計(jì)算所選路面結(jié)構(gòu)級(jí)配碎石層的壓應(yīng)力，并將結(jié)果平均值作為壓應(yīng)力水平，結(jié)果如表2所示。

表2 級(jí)配碎石層的壓應(yīng)力水平

2)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的建立。

在車輛荷載的作用下，級(jí)配碎石材料的最大壓應(yīng)力δmax超過(guò)材料的容許壓應(yīng)力δR時(shí)，級(jí)配碎石基層就會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的永久變形，發(fā)生破壞。故級(jí)配碎石基層最大壓應(yīng)力應(yīng)不大于容許壓應(yīng)力[6]。根據(jù)最不利臨界條件，假定最大壓應(yīng)力σmax等于容許壓應(yīng)力σR，則可得級(jí)配碎石要求的抗壓強(qiáng)度δf:

δf=δmax×Ku

(1)

其中，δf為抗壓強(qiáng)度；δmax為最大壓應(yīng)力；Ku為抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通量調(diào)研以及瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，計(jì)算河北寒區(qū)不同交通等級(jí)下的抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)代表值，結(jié)果如表3所示。

表3 河北寒區(qū)不同交通等級(jí)下的抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)代表值

本項(xiàng)目依托工程為重交通路面，在表3中對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)為2.37。根據(jù)式(1)可得級(jí)配碎石在該區(qū)域重交通等級(jí)下的抗壓強(qiáng)度要求為1.01 MPa。

利用CBR與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，可將抗壓強(qiáng)度要求轉(zhuǎn)化為CBR要求。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，CBR值與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間具有如下關(guān)系[8]：

CBR=366Rc-33.9

(2)

其中，CBR為加州承載比，%；Rc為抗壓強(qiáng)度，MPa。

上述求得抗壓強(qiáng)度為1.01 MPa，將該值代入式(2)，得出河北寒區(qū)重交通公路級(jí)配碎石的CBR標(biāo)準(zhǔn)為335.76%。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)級(jí)配碎石層厚度不變，模量為700 MPa時(shí)，所產(chǎn)生的面層層底拉應(yīng)力最小。當(dāng)模量不變時(shí)，隨著級(jí)配碎石層厚度的增大，級(jí)配碎石層的剪應(yīng)力變化不大。結(jié)合BISAR3.0力學(xué)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推薦級(jí)配碎石層的最佳模量為700 MPa，厚度為18 cm。計(jì)算得出級(jí)配碎石基層在重交通公路等級(jí)下的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為1.01 MPa，CBR強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為335.76%。