城市道路瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

付建波

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州）

城市道路是地區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，也是支撐社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心因素。但就我國(guó)城市道路建設(shè)實(shí)際情況來(lái)看，大多存在路面使用壽命不足的問題并伴隨存在多種病害，其主要受到材料、設(shè)計(jì)、工藝及管理等因素的影響[1]。盡管城市道路建設(shè)的體量、數(shù)量都處于快速發(fā)展的階段，但迅猛增加的機(jī)動(dòng)車保有量對(duì)此也提出了更高的要求，尤其是重載現(xiàn)象層出不窮使得道路路面問題越發(fā)嚴(yán)重[2]。為有效緩解城市道路路面存在的早期破壞，應(yīng)當(dāng)針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)展開全面分析，明確各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于路面結(jié)構(gòu)的影響。并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步選擇合適結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合建設(shè)地實(shí)際情況優(yōu)化施工方案，使得項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益、結(jié)構(gòu)性能都能夠得到綜合提升。

1 路面材料選擇

1.1 面層材料

不同級(jí)配的瀝青混合料具有不同性質(zhì)及適用范圍[3]。一般而言，密集配瀝青混合料能夠廣泛應(yīng)用于各等級(jí)公路的不同部位?；旌狭狭酱笮≈苯佑绊懼鋺?yīng)用層位，混合料粒徑在道路路面結(jié)構(gòu)中自上而下逐漸增大。其中特粗型主要用于基層；粗粒型主要用于基層、下面層；中粒型主要用于表面層、下中面層；細(xì)粒型主要用于薄層罩面、表面層；砂粒型則主要用于人行道、非機(jī)動(dòng)車道等。

1.2 基層材料

道路基層承擔(dān)著上部荷載的作用，應(yīng)當(dāng)兼具較好穩(wěn)定性、耐久性及承載能力。根據(jù)材料性能、結(jié)構(gòu)類型等不同，路面基層一般可分為柔性、剛性及半剛性三類。研究發(fā)現(xiàn)[4]，柔性基層能夠有效控制路面早期開裂及破壞，且其與瀝青面層所形成結(jié)構(gòu)在應(yīng)力、應(yīng)變的協(xié)調(diào)過渡上具有良好效果。此外，柔性基層材料多為級(jí)配成型的顆粒狀，具有良好排水效果，降低路面結(jié)構(gòu)的水損影響。

2 城市瀝青道路路面力學(xué)分析

路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析按照我國(guó)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)假定在垂直施加的雙圓均布荷載下進(jìn)行，依據(jù)彈性層狀體系理論完成分析[5]。

為便于分析，本研究取我國(guó)某市政道路實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)展開分析，該道路為當(dāng)?shù)刂鞲陕罚淅鄯e受軸載作用約為500 萬(wàn)軸次。分別取該道路路面的結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力及面層剪應(yīng)力為指標(biāo)展開分析，并按照100 KN 標(biāo)準(zhǔn)軸載，施加垂向雙圓均布荷載。取行車方向?yàn)閄 軸、垂行車方向?yàn)閅 軸，建立得到坐標(biāo)系見圖1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

在圖1 中選擇最可能發(fā)生破壞的7 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位，分別為A、B、C、D、E、F、O。分別選取兩種不同路面，探究結(jié)構(gòu)層厚度與層底拉應(yīng)力、彎沉之間的關(guān)系，其路面結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 兩類路面結(jié)構(gòu)形式

2.1 結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路表彎沉值的影響分析

2.1.1 瀝青面層厚度的影響分析

（1） 上面層厚度的影響分析

在上面層模量為1 400 MPa 的條件下，分別取面層厚度為4 cm、5 cm、6 cm、7 cm、8 cm，探究上面層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見表2，兩者變化關(guān)系見圖2。

表2 不同上面層厚度下的路表彎沉值

圖2 上面層厚度、路表彎沉間關(guān)系

根據(jù)表2、圖2 可知在上面層厚度增大的過程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，上面層厚度自4 cm 上升至8 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)，且隨著厚度增加彎沉值下降差值不斷縮小，因此當(dāng)上面層厚度處于4～7 cm 范圍內(nèi)時(shí)路表彎沉值變化較為顯著；而當(dāng)上面層厚度處于7～8 cm 范圍內(nèi)時(shí)路表彎沉值下降速度則較緩，可認(rèn)為在上面層厚度大于7 cm 時(shí)彎沉值所受影響較為有限。

（2） 中面層厚度的影響分析

在中面層模量為1 200 MPa 的條件下，分別取面層厚度為6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm，探究中面層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見表3，兩者變化關(guān)系見圖3。

表3 不同中面層厚度下的路表彎沉值

圖3 中面層厚度、路表彎沉間關(guān)系

根據(jù)表3、圖3 可知在中面層厚度增大的過程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，中面層厚度自6 cm 上升至10 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)。因此可知，將中厚層的厚度自6 cm 調(diào)整至10 cm，能夠顯著提升道路路面使用壽命。特別地，在中厚層厚度自6 cm 提升至7 cm 的過程中，路面彎沉值發(fā)生了大幅度下降。

（3） 下面層厚度的影響分析

在下面層模量分別為1 000 MPa 的條件下，分別取面層厚度為8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm，探究下面層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同下面層厚度下的路表彎沉值

根據(jù)表4 可知在下面層厚度增大的過程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，下面層厚度自8 cm 上升至12 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)。因此可知，將下面層的厚度自8 cm 調(diào)整至12 cm，能夠顯著提升道路路面使用壽命。

總體來(lái)看，為實(shí)現(xiàn)對(duì)路表彎沉值的有效控制，可適當(dāng)增加面層厚度，但需要注意的是由此也會(huì)帶來(lái)成本上升。

2.1.2 柔性基層厚度的影響分析

在下面層模量分別為1 200 MPa 的條件下，分別取基層厚度為21/22/23/24/25 cm，探究基層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同基層厚度下的路表彎沉值

根據(jù)表5 可知在基層厚度增大的過程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，基層厚度自21 cm 上升至25 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)。

2.1.3 底基層厚度的影響分析

在下面層模量分別為225 MPa 的條件下，分別取基層厚度為27/28/29/30/31 cm，探究基層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 不同底基層厚度下的路表彎沉值

根據(jù)表6 可知在底基層厚度增大的過程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，基層厚度自27 cm 上升至31 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)，但其降幅較小。

2.2 基層厚度對(duì)層底拉應(yīng)力的影響分析

2.2.1 ATB 層厚度、級(jí)配碎石基層厚度的影響分析

（1） ATB 層厚度的影響分析

ATB 層厚度自17 cm 提升至25 cm 的過程中，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力見圖4。

根據(jù)圖4 可知，ATB 層厚度自17 cm 上升至25 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力有下降趨勢(shì)，且其按照固定差值下降，具有較為顯著規(guī)律。

圖4 不同ATB 層厚度下各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力

（2） 級(jí)配碎石基層厚度的影響分析

隨著級(jí)配碎石基層厚度的增加，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力變化情況見圖5。

圖5 不同級(jí)配碎石基層厚度下各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力

根據(jù)圖5 可知，級(jí)配碎石層厚度自26 cm 上升至30 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯變化，由此可認(rèn)為在該結(jié)構(gòu)中級(jí)配碎石厚度對(duì)于控制各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力的作用有限。

2.2.2 水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的影響分析

隨著水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的增加，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力變化情況見圖6。

根據(jù)圖6 可知，水泥穩(wěn)定碎石層厚度自26 cm 上升至34 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，底基層的層底拉應(yīng)力水平較低，這樣主要是由于水泥穩(wěn)定碎石材料具有一定松散性，無(wú)法形成有效層間拉力，因此計(jì)算得出的層底拉應(yīng)力為土基上表面與底基層之間的拉應(yīng)力。

圖6 不同水泥穩(wěn)定碎石基層厚度下各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力

2.2.3 層底拉應(yīng)力比對(duì)

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，當(dāng)采用ATB+級(jí)配碎石方案作為基層結(jié)構(gòu)時(shí)，其底基層的層底拉應(yīng)力相較于級(jí)配碎石+水泥穩(wěn)定碎石方案更大。按照受力分析來(lái)看，可認(rèn)為后者的力學(xué)狀態(tài)更為合理，應(yīng)優(yōu)先選擇。

3 結(jié)論

本研究從道路面層、基層材料選擇要點(diǎn)出發(fā)，基于工程實(shí)際需求分別研究了不同結(jié)構(gòu)層厚度下路表彎沉、層底拉應(yīng)力的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：

（1） 在控制面層、基層及底基層中任意兩層厚度不變的基礎(chǔ)上，提升另一層厚度，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

（2） 在面層厚度不變的基礎(chǔ)上，提升基層厚度，層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

（3） 在兩種設(shè)計(jì)方案比對(duì)中，級(jí)配碎石+水泥穩(wěn)定碎石方案對(duì)應(yīng)底基層的層底拉應(yīng)力更小，方案更優(yōu)。