瀝青面層厚度對路面結構力學指標影響分析

韓曉洲 張劍 吳亮

0 引言

半剛性基層瀝青路面是我國瀝青路面的主要結構形式，我國瀝青路面設計是以設計彎沉、瀝青層層底拉應力以及半剛性材料層拉應力為設計指標。瀝青路面結構層厚度的確定是結構層設計中最重要的部分，它不但包括路面的基本受力分析，還涉及到實際交通軸載狀況和當地經濟因素。因此，對不同的瀝青路面結構，其各層位厚度的確定要與相應結構的設計理論和設計方法相匹配，結構層厚度應滿足相應設計指標的要求。

本文針對我國路面主要結構形式，擬定了幾種路面結構，采用不同瀝青層、半剛性基層厚度，而且路面材料模量也不同，利用Bisar3.0軟件，對各結構瀝青路面的半剛性層層底拉應力、基層頂面壓應變，以及瀝青結構層剪切應力進行計算。根據計算結果，分析瀝青層厚度的改變對各力學指標的影響。

1 計算模型的建立

本文應用彈性層狀連續體系理論來分析瀝青層厚度對路面應力分布的影響。文中采用Bisar3.0力學計算程序，荷載方式采用雙圓均布荷載，標準軸載100 kN，當量圓半徑為10.65cm，輪隙間距為1.5r，考慮水平荷載的影響，其表面摩擦系數f=0.2，荷載作用如圖1所示。

2 路面結構擬定及計算參數確定

根據我國常用半剛性路面結構形式，擬定了路面結構組合，見表1。

3 力學分析

根據Bisar3.0計算結果，主要分析瀝青層厚度對結構層中半剛性結構層層底拉應力、基頂壓應變以及瀝青層內剪應力的影響，從而得出決定瀝青層厚度設計的關鍵控制指標。

表1 半剛性基層瀝青路面結構組合及材料參數

3.1 對半剛性結構層層底拉應力影響

根據已有研究成果及計算結果可知，半剛性結構層最大拉應力出現在荷載中心處，故在對如表1所示結構進行分析時，主要對比結構層不同厚度對荷載中心處拉應力的影響。

對不同瀝青層厚度下半剛性結構層層底拉應力進行分析，可知:

1)隨著瀝青結構層厚度的增加，半剛性結構層層底拉應力逐漸減小。瀝青層厚每增加5cm，半剛性結構層層底拉應力減小幅度也不同，但變化范圍均在10%～17%;半剛性結構層越厚，其減小幅度越小。這是由于半剛性層厚增加后，對路面的承載能力的貢獻也會增大，起到主導作用，此時，單是瀝青層厚度的改變，對結構層整體受力模式影響程度將減小。

2)增加瀝青層的模量，可以減小半剛性層底拉應力，但減小幅度較小。瀝青層模量每增加400mPa，半剛性結構層底拉應力僅減少約3%～6%，減小幅度很小，且瀝青層越厚，其模量變化對半剛性層底拉應力影響越大。這是因為當瀝青層厚度增加，對路面的承載力貢獻加大，當模量增大時，其可消散大部分的應力，使得半剛性結構層底拉應力減小。

3)對于采用兩層半剛性材料做瀝青路面基層時，半剛性材料厚度一般在30cm～40cm范圍內，那么，根據半剛性基層層底拉應力所確定的最小瀝青層厚也應在17cm～28cm之間，若混合料模量低于1400mPa，則需要的瀝青層厚度應更大。因此，在相同設計要求下，采用高模量瀝青混凝土可減小瀝青層厚度。

3.2 對基頂壓應變的影響

半剛性瀝青路面結構基頂壓應變在XOY平面內分布不同于半剛性層底拉應力的分布，其最大值出現在輪跡內側，并未出現在輪隙中心，如圖2所示。

對不同瀝青層厚度下半剛性結構層層底拉應力進行分析，可知:

1)半剛性類基層瀝青路面基頂壓應變隨瀝青層厚度的增加而減小。在15cm～40cm范圍內，瀝青層每增加5cm，基頂壓應變減少幅度均在10%～18%之間，對于半剛性基層厚度較大的路面結構，基頂壓應變隨瀝青層厚變化的幅度較小。

2)基頂壓應變隨著瀝青結構層模量的增大而減小，但減小幅度很小，瀝青混凝土模量在1400mPa～2200mPa之間每增加400mPa，半剛性類基層瀝青路面基頂壓應變減少約3%～8%。瀝青材料模量對基頂壓應變的影響模式同拉應力，即厚的瀝青結構層隨模量增加，基頂壓應變的減小幅度較大。

3.3 對瀝青結構層最大剪應力影響

由于剪應力對路面結構的影響主要是沿深度方向，故對結構層剪應力分析時，僅對路面深度方向剪應力分布進行研究。以路面橫斷方向為XX方向，結構層深度方向為ZZ方向，重點分析XOZ方向瀝青結構層剪應力分布，在深度方向，半剛性結構瀝青層剪應力分布如圖3所示。

當瀝青層厚度在15cm～40cm范圍內變化時，結構層剪應力均隨深度的增加先增加，達到峰值后則開始減小。當瀝青層厚度超過25cm后，瀝青層內剪應力已趨于穩定，不足瀝青結構層內最大剪應力的1/3，這說明，瀝青結構層剪切破壞主要集中在剪應力峰值分布位置周圍。

4 結語

1)半剛性基層瀝青路面基層層底拉應力、基頂壓應變以及面層剪應力，都隨瀝青層厚度的增大而減小，但在同一深度增大的幅度各不相同。

2)雖然瀝青層厚度增加能使瀝青層底拉應變和路基頂面壓應變減小，但瀝青層厚度不能無限增加，要考慮工程實際和經濟性。可通過采取其他措施，如采用改性瀝青來提高瀝青層的極限拉應變，強化土基或鋪墊層來減小路基頂面壓應變，從而使路面結構整體強度滿足要求。

3)各個參數對每個力學指標的影響都不盡相同，路面結構不應只決定于其中某個指標，而應平衡各個指標的關系以得到最佳結構，綜合考慮各指標的有利影響。

［1］崔 鵬，邵敏華，孫立軍.長壽命瀝青路面設計指標研究［J］.交通運輸工程學報，2008(3):37-42.

［2］張登良.瀝青路面工程手冊［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］王德蜜，狄升貫.關于瀝青路面設計發展的思考［J］.山西建筑，2007，33(21):304-305.

［4］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范［S］.

［5］鄭傳超，王秉綱.道路結構力學計算［M］.北京:人民交通出版社，2008.