瀝青碎石與半剛性復(fù)合基層瀝青路面力學(xué)響應(yīng)研究

李松

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧沈陽110167）

0 引言

我國交通運輸行業(yè)逐漸朝著多軸化、高輪壓化以及重載化的方向發(fā)展，導(dǎo)致傳統(tǒng)半剛性基層路面受力呈現(xiàn)出明顯變化。在多種車輛荷載作用之下，瀝青路面結(jié)構(gòu)受力大幅增加，長期處在重載車輛作用之下，必然會導(dǎo)致裂縫病害的深化發(fā)展，影響道路工程的整體使用壽命，同時威脅人員與車輛安全。新時期，如何對復(fù)合基層瀝青路面力學(xué)響應(yīng)進行科學(xué)研究，明確各層厚度變化對道路各相關(guān)性能的影響，從而合理設(shè)定材料配比，優(yōu)化工程整體應(yīng)用效果，值得廣大科研人員深思。

1 復(fù)合基層瀝青路面力學(xué)性能研究分析

半剛性基層屬于當(dāng)前國內(nèi)瀝青路面最為主要一種構(gòu)筑形式，具有高承載力、高剛度、高模量、小彎沉等優(yōu)勢，同時對荷載應(yīng)力具有良好的擴散能力，并不會造成土基出現(xiàn)過大變形情況，能夠有效適應(yīng)當(dāng)前我國交通量大規(guī)模增長與重載交通增多的現(xiàn)實需求，對提高路面結(jié)構(gòu)整體壽命具有良好促進作用。除此之外，因為半剛性基層具有良好的剛度，能讓瀝青面層承受較小的彎拉應(yīng)力，如此一來便能讓瀝青面層具備更強的行車疲勞破壞抵抗能力。上述特征說明半剛性基層作為一種具有良好耐久性的瀝青路面基層，就力學(xué)性能角度而言具有較強的適應(yīng)性，因此也在工程實踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

反射裂縫是半剛性基層瀝青路面常見的問題形式，基于此提出了復(fù)合基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，也就是將半剛性基層作為基礎(chǔ)，在其上部配置瀝青穩(wěn)定碎石層，不僅能夠達到阻斷基層反射裂縫的效果，還能促進瀝青層厚度的增加，促進路面結(jié)構(gòu)整體性能的優(yōu)化。下文主要采用ANSYS 有限元軟件，針對復(fù)合式基層瀝青路面進行研究，分析當(dāng)其處于車輛荷載作用之下的力學(xué)響應(yīng)，繼而對響應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)加以研究，為其推廣應(yīng)用形成一定理論支持。

2 路面結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及有限元模型分析

對全國各地瀝青路面結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，由于地理條件、氣候條件、道路交通荷載等各方面因素的不同，所采用的路面結(jié)構(gòu)和各層厚度設(shè)置略有不同。本文主要將國內(nèi)某市瀝青路面結(jié)構(gòu)作為研究對象，在其復(fù)合基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青面層厚度介于10～18cm 之間；以瀝青穩(wěn)定碎石構(gòu)筑為上基層，其厚度介于8～14cm 之間；以水穩(wěn)碎石層構(gòu)筑為基層，厚度介于20～30cm 之間；以水穩(wěn)砂礫構(gòu)筑底基層，其厚度介于15～20cm 之間。在接下來的研究中，將上述數(shù)據(jù)范圍作為基準進行綜合分析，以此為依據(jù)具體研究復(fù)合基層瀝青路面的力學(xué)性能。

相關(guān)研究證明，利用ANSYS 有限元軟件能夠有效模擬行車荷載之下路面結(jié)構(gòu)的受力情況，并且實際展示效果優(yōu)良。所以，應(yīng)用ANSYS 軟件針對上文所述瀝青路面進行研究，構(gòu)建起三維有限元模型[1]。其中，所應(yīng)用的單元是solid45，X 軸表示路面橫向，Y 軸表示行車方向，Z 軸表示路面深度方向，將模型大小設(shè)置為6m×6m×6m。將邊界條件具體設(shè)置為：在路基的底部采取固定位移與撓度全約束條件，針對行車方向?qū)?yīng)的兩個截面約束Y 方向位移，針對路面橫向?qū)?yīng)的兩個截面約束X 方向位移，在此假定結(jié)構(gòu)層間屬于完全連續(xù)狀態(tài)。此外，應(yīng)用的荷載是雙圓均布荷載，其荷載大小是0.707MPa。

3 各瀝青層厚度參數(shù)條件下的力學(xué)響應(yīng)

瀝青層屬于復(fù)合基層瀝青路面當(dāng)中的重要構(gòu)成部分，所設(shè)置瀝青層的厚度不但會影響路面部分總體工程造價，還是路面結(jié)構(gòu)具備力學(xué)性能與耐久性能力的決定性因素。瀝青層主要包括面層、瀝青穩(wěn)定碎石層這兩個部分，所以在這里主要研究二者厚度對于力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生的影響[2]。將瀝青面層的厚度設(shè)置為10cm、12cm、14cm、16cm 以及18m，而將碎石層厚度設(shè)置為8cm、10cm、12cm、14cm 以及16cm。研究過程中，對其他厚度參數(shù)取其中間值，比如水穩(wěn)砂礫層厚度是15cm。

瀝青層拉應(yīng)力的大小能夠用于反映它的受拉情況，所以可以依靠這一指標對瀝青層受拉破壞進行控制。研究發(fā)現(xiàn)，在同等荷載作用之下，如果瀝青面層厚度增加，則其形變會逐步降低，也就是所承受拉應(yīng)變減小，但其減小的梯度呈現(xiàn)為逐步縮小。其中，在瀝青面層厚度為10～14cm 時，當(dāng)面層厚度增加2cm，拉應(yīng)力便會降低7.97%。通常情況下，瀝青層材料所承受拉應(yīng)力應(yīng)該低于120με，所以在對瀝青面層厚度進行取值的過程中，應(yīng)該使其大于12cm。

瀝青層的剪應(yīng)力與半剛性基層拉應(yīng)力能夠?qū)ζ浼羟衅茐呐c層底受拉破壞造成直接影響。研究證明，面層厚度對于瀝青層所具有的剪應(yīng)力和半剛性基層所具有的拉應(yīng)力影響非常大，尤其是前者。在面層厚度介于10～18cm 之間時，面層的厚度每增長2cm，兩種應(yīng)力會分別縮小13.08%與5.61%。除此之外，半剛性基層材料拉應(yīng)力通常應(yīng)該介于220～230kPa 之間，如果面層厚度設(shè)置為14cm，則半剛性基層的拉應(yīng)力是230.5kPa，所以應(yīng)該將瀝青面層厚度取14cm 以上。因此，應(yīng)該依靠提高瀝青面層厚度或者瀝青穩(wěn)定碎石層厚度的方式來縮減瀝青層剪應(yīng)力，其中前一種措施所獲得的效果更佳[3]。

4 各基層與底基層厚度參數(shù)之下的力學(xué)響應(yīng)

復(fù)合基層瀝青路面中的半剛性基層與底基層厚度同樣會對其整體剛度與強度形成直接的影響。所以，應(yīng)用ANSYS 軟件進行計算與分析，以確定各個基層與底基層厚度條件下，路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。這里將基層厚度分別設(shè)置為20cm、22cm、24cm、26cm 以及28cm，而將底基層厚度設(shè)置為10cm、12cm、14cm、16cm、18cm 以及20cm。 將瀝青面層厚度設(shè)置為14cm，將穩(wěn)定碎石層厚度設(shè)置為12cm。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨基層厚度增長，瀝青路面的整體強度與剛度會逐步提升，瀝青層的拉應(yīng)變則逐步降低。當(dāng)基層厚度處于20～30cm 范圍時，如果厚度每提升5cm，則瀝青層的拉應(yīng)變降低4.73%。因此可知，基層厚度增加對于瀝青層拉應(yīng)變所形成的影響相對較小。

基層厚度提升對于瀝青層剪應(yīng)力形成的影響非常小，但對于半剛性基層的拉應(yīng)力卻能形成非常大的影響。這主要是由于基層厚度增加，使其強度隨之增加，并導(dǎo)致平均承受荷載應(yīng)力降低[4]。當(dāng)基層厚度介于20～30cm 之間時，其厚度每增長5cm，則半剛性基層的拉應(yīng)力會降低11.25%。所以，提升基層厚度，能夠有效促進半剛性基層拉應(yīng)力的降低。通常情況下，半剛性基層的拉應(yīng)力應(yīng)該介于220～230kPa 之間，所以基層厚度應(yīng)該至少為25cm。

復(fù)合基層瀝青路面底基層厚度增加，會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)整體強度的提升，讓瀝青形變降低，實現(xiàn)有效控制。研究發(fā)現(xiàn)，在底基層厚度增加的動態(tài)過程中，瀝青層拉應(yīng)力呈現(xiàn)為線性下降。如果底基層厚度介于10～20cm 之間，當(dāng)厚度增加5cm，瀝青層拉應(yīng)力只會呈現(xiàn)出4.39%的變化。因此，底基層厚度變化對于瀝青層能夠形成影響，但其所造成的影響相對較小。

底基層厚度變化對于瀝青層剪應(yīng)力并不會造成明顯影響，卻對半剛性基層的拉應(yīng)力具有較大影響。如果底基層厚度處于10～20cm 的變化范圍內(nèi)，其厚度每提高5cm，則半剛性基層的拉應(yīng)力會降低約15.58%。除此之外，就半剛性基層拉應(yīng)力的容許值220～230kPa 來看，底基層厚度起碼要達到15cm[5]。

經(jīng)過上文的論述可以發(fā)現(xiàn)，半剛性基層與底基層厚度變化會對半剛性基層拉應(yīng)力形成較大影響，在工程實踐中可以依靠提高或降低基層（或底基層）厚度實現(xiàn)對半剛性基層拉應(yīng)力的調(diào)節(jié)，以達到最合理的厚度設(shè)置效果，在提高道路工程應(yīng)用性能的同時，合理降低工程投資。

5 結(jié)語

總而言之，對各類道路路面力學(xué)性能進行深入研究具有非常良好的現(xiàn)實意義，對于提高工程建設(shè)人員對材料性質(zhì)的認識至關(guān)重要，值得投入更多人力、物力和財力促使其研究成果的深化。作為一名科研人員，應(yīng)該在日常工作中積極探索，對國外的一些先進研究理念和技術(shù)加以借鑒，繼而與我國道路運輸及科研形勢相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更加符合我國國情的路面力學(xué)響應(yīng)研究體系，通過技術(shù)創(chuàng)新與管理優(yōu)化為國家交通運輸行業(yè)發(fā)展注入源源不斷的活力。