瀝青面層層間剪應力的影響因素分析

劉紅平

改革開放以來,隨著經濟的快速增長,交通狀況有了明顯改善,瀝青路面由于具有良好的行車舒適性、建設速度快、維修方便等特點得到廣泛應用。但由于交通量的大幅度增加,許多瀝青路面出現滑移、壅包等病害,這些病害使瀝青路面的使用性能迅速下降,大大降低了公路的社會效益和經濟效益。滑移會直接導致路面出現開裂、變形,而壅包則直接影響了路面的平整度。

由于現階段道路上行駛車輛多軸數、重軸載、高輪壓的新特點,使道路路面材料受力狀況較以往發生了明顯變化,變得更加復雜,傳統路面結構力學分析所采用的均布輪胎荷載計算模式已經不太適應,復雜的接觸壓力導致了面層與面層間的剪應力大幅度增加,研究道路層間的剪應力情況,找到合適的層間表面處理方法,指導道路施工,對保證路面質量,合理利用工程資源,延長路面使用壽命都具有重要意義。

1 瀝青路面力學基本理論與假設

本文采用BISAR程序進行路面結構應力分析,BISAR程序是以多層彈性層狀體系理論為基礎,彈性層狀體系是由若干個彈性層組成,上面各層具有一定的厚度,最下一層為彈性半空間。應用彈性力學方法求解彈性層狀體系的應力、應變和位移等分量時,引入如下假設:1)各層是連續的、完全彈性的、均質的、各向同性的,以及位移和變形是微小的;2)最下一層在水平方向和垂直向下方向為無限大,其上各層厚度為有限、水平方向無限大;3)各層在水平方向無限遠處及最下一層向下無限深處,其應力、變形和位移為零;4)層間接觸條件,應力和位移連續(稱連續體系),或者層間僅豎向應力和位移連續而無摩阻力(稱滑動體系),以及介于二者之間的半連續半滑動體系;5)不計自重。

2 路面層間剪應力設計指標

瀝青路面基面層間剪應力設計標準取決于兩個因素[1]:

1)在車輛荷載作用下,面層間產生的最大剪應力τmax;2)由層間狀態所決定的容許剪應力τR。即在垂直荷載和水平荷載共同作用下,面層間可能產生的最大剪應力τmax應不大于面層間的容許剪應力 τR,即 τmax≤τR。

面層間最大剪應力τmax可由有限元程序計算確定,其中作用于路面表面的水平荷載與車輛的行駛狀態有關,一般用車輪垂直荷載乘以車輪與路面之間的摩擦系數表示,即:Ph=fPν。

其中,Ph為由車輛行駛狀態所決定的水平荷載;Pν為車輛垂直荷載,一般用輪載來表示;f為車輪與路面之間的摩擦系數,也稱水平力系數。摩擦系數 f值與車輛行駛狀態有關。參考各國的研究成果,車輛行駛狀態可

分為正常行駛、緩慢制動和緊急制動3種狀態,各種狀態的摩擦系數 f值如下:正常行駛0.1;緩慢制動0.2;緊急制動0.5。

上下面層間容許剪應力τR由面層間抗剪強度τf除以抗剪結構強度系數KT確定,即:

其中,τf為一次荷載作用下上下面層間抗剪強度;KT為抗剪結構強度系數。抗剪結構強度系數KT也與車輛行駛狀態有關。

緊急制動時(f=0.5),不考慮車輛荷載重復作用(不考慮疲勞作用)

其中,Ne為設計年限內一個車道上累計當量軸次,計算累計當量軸次時,采用彎沉等效軸載換算公式進行換算;Ac為公路等級系數,高速公路和一級公路 Ac=1.0,二級公路 Ac=1.1,三級公路和四級公路Ac=1.2。

3 層間剪應力的影響因素分析

本文運用BISAR軟件計算選取的路面結構按某公路的實體工程選取,如表1所示。

表1 路面結構層設計參數

1)荷載對剪應力的影響。保持面層和基層材料參數不變,改變垂直荷載的大小,分別計算完全連續和完全光滑時層間最大剪應力的分布規律,如表2所示。

從表2中可以看出:兩種狀態下層間最大剪應力都隨著荷載的增大而逐漸增加,在同一級別的荷載作用下,完全光滑時比完全連續時的最大剪應力要大,且隨著荷載的增大,增大的幅度比完全連續狀態下的增幅要大。

表2 荷載對層間剪應力的影響

2)面層厚度對剪應力的影響。改變面層厚度,假設兩層面層為同種材料,基層材料不變,改變面層模量,分別計算完全連續和完全光滑狀態下層間最大剪應力,剪應力的分布規律如表3所示。

表3 面層厚度對層間剪應力的影響

由表3可以看出,兩種狀態下的剪應力都隨著面層厚度的增加而減小。同一厚度下,完全光滑時的層間剪應力比完全連續時要大,在條件容許情況下適當增加面層厚度能降低層間剪應力。

4 結語

1)層間剪應力隨著荷載的增大而逐漸增大,在同一級別的荷載作用下,完全光滑狀態時比完全連續狀態時的最大剪應力要更大,并且隨著荷載的增大,增大幅度比完全連續狀態下的增幅要大。

2)層間剪應力都隨著面層厚度的增加而減小。同一厚度下,完全光滑時的層間剪應力比完全連續時要大,在條件容許情況下適當增加面層厚度能降低層間剪應力,保證路面的質量。

[1] 鄧學鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,1999.

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[5] 李明飛,劉殿良,朱宏勝,等.基于層間滑移的瀝青路面響應分析[J].沈陽建筑工程學院學報(自然科學版),2003,19(3):61-64.

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