超薄磨耗層力學特性分析

袁 偉

超薄磨耗層起源于法國，是一種新型的路面養護材料，實踐證明它是一種可以延長路面壽命、改善行駛質量、校正表面缺陷、提高安全特性、減小噪聲、增加路面強度等路面功能的表面層。超薄磨耗層適用于路面較平整、轍槽深度小于10 mm，無結構性破壞的公路，也適用于新建公路的磨耗層，故越來越受到人們的重視。超薄磨耗層一般厚度為15 mm～25 mm，混合料可選用斷級配SMA-10，SAC-10或粗級配ACG-10等。結合料宜用改性瀝青或摻入其他添加劑，以提高超薄磨耗層的水穩性。由于厚度比較薄，瀝青混合料的粒徑比較小，同時又要求有較好的構造深度、抗滑性能和密實性能，故應合理選擇集料、瀝青材料和級配類型。

1 力學分析

1.1 模型條件

要使超薄層充分發揮其作用，還要保證它與原路面具有良好的粘結，要達到此目的，對于厚度只有15 mm～25 mm的磨耗層來說是很困難的，所以必須對層底應力、應變、彎沉值大小進行計算，以獲得可靠的數據選擇合適的連接層，接下來就對磨耗層的層底拉應力與彎沉進行簡單的計算，本研究的假設條件如下:

1)彈性層狀體系;2)BZZ-100標準荷載;3)路面在常溫20℃;4)假設行車速度為60 km/h～120 km/h。

在上述情況下，磨耗層的鋪筑厚度分別在0 cm，1.5 cm，2.5 cm，4.0 cm時進行層底應力的計算，采用SHELL公司的瀝青路面力學軟件BISAR3.0進行計算。初擬的結構層見表1。

表1 初擬結構層

軟件計算時采用以下模型:即X軸為行車方向，Y軸與車軸平行，Z軸垂直于X，Y軸的平面，車軸中心為原點，見圖1。

1.2 分析內容

經過計算可得到以下幾種關系:

1)當采用超薄層加鋪厚度為1.5 cm，2.5 cm時，用軟件可以得到路面兩車軸中心(即原點)各層層底的彎沉值，將兩種路面的層底彎沉繪入圖2。從圖2可以看出兩條曲線的趨勢是相同的，可知路面的最大彎沉值不是出現在路面頂，而是出現在路面稍下處，因此此處在設計時應注意。

2)當分別加鋪 0.0 cm，1.5 cm，2.5 cm，4.0 cm 的混合料時，在標準荷載下，其路表彎沉值發生了如圖3所示的變化。由圖3可看出，隨著加鋪層厚度的增加，路表的彎沉值不斷減小，按照此推斷為減小彎沉，應該采用較厚的加鋪層，但這樣不但不經濟而且自重的增加會造成原路面壓應力過大，所以應找個平衡點，這對于超薄磨耗層發展來說是至關重要的，還需作進一步的研究。

3)在標準荷載下，假定磨耗層的攤鋪厚度為1.5 cm，分別對輪底、輪中兩個位置應力隨深度的變化進行研究，可得到圖4，圖5。

對比圖4，圖5可以得出在車輪底部(路表)X，Y，Z軸三個方向均表現出較大的壓應力，隨著深度的增加壓應力逐漸減小，X，Y方向從壓應力轉變為拉應力，但是從深度可以看出超薄層底部在三個方向均表現出壓應力，因此，超薄層包括粘結層在內應主要考慮其抗壓能力，抗拉性指標要求可以小些。

另外，在圖4，圖5中深度達到0.2 m時X，Y軸方向(除了輪中Y方向)均表現出較大的拉應力，而在這個深度恰好是半剛性基層，半剛性基層的抗拉性差容易產生裂縫發生水損害，因此在設計時應盡量通過改變厚度，使半剛性基層避免出現大的拉應力，而使其受壓。

4)為了研究采用不同的加鋪厚度對薄層底、原路面下輪中間X，Y兩個方向的應力變化，作了如下計算，在標準荷載下，當采用的加鋪厚度為 0.0 cm，1.5 cm，2.5 cm，4.0 cm 時用軟件計算超薄磨耗層下及原路面第一層的應力，如圖6，圖7所示。

從圖6可以看出不加薄層時表面表現出很大的壓應力，當加上磨耗層時薄層下的應力大幅變小，且X，Y方向隨加鋪厚度的增加應力相差不大且上下幅度不大，X方向壓應力有減小的趨勢，而Y方向壓應力有增大的趨勢。

圖7中Y方向的壓應力要大于X方向的應力，且兩個方向壓應力隨攤鋪厚度的增加都表現出減小的趨勢。這種趨勢最終會導致薄層內產生拉應力，因此加鋪厚度不能太大，以免拉應力過大產生裂縫。

2 結語

通過使用BISAR軟件進行簡單的應力應變計算，同時對數據的分析比較發現了如下規律:

1)路面的最大彎沉值不是出現在路面而是出現在路表稍下處。2)隨著加鋪層厚度的增加，路表彎沉值不斷減小。3)當加鋪厚度為1.5 cm時薄層內并未出現拉應力，最大的拉應力出現在大致2.0 cm處，因此在設計時應加強這層的抗拉強度設計。4)隨著加鋪層厚的增加，薄層下X，Y方向的應力并不會出現較大的變化，原路面第一層下兩方向應力有相同的變化趨勢。5)另外有研究表明各結構層的拉應力值隨荷載的增長而逐漸增長，當超限160%，其值大約是標準軸載作用下的2倍多，因此，為避免路面發生過早的破壞，應限制超載現象。以上分析均是在標準荷載、特定結構層情況下得出的，普遍性還有待于工作者的進一步研究，以期待為超薄層結構的研究帶來更廣闊的前景。

［1］李 浩，張旭晨，曾 艷.超薄磨耗層瀝青混凝土力學特性與疲勞性能研究［J］.中外公路，2009，4(29):203-206.

［2］于慶革，田新宇，舒 躍.淺談超薄磨耗層瀝青混凝土在公路養護中的應用［J］.公路，2010(10):233-236.

［3］薛國勝，牛璽榮.公路瀝青路面的再思考和展望［J］.山西交通科技，2010(3):10-13.

［4］王旭東，許志鴻，李美江，等.超薄層瀝青混凝土面層技術研究［D］.北京:交通部公路科學研究所，2004.

［5］王 林，張西斌，房建國.嵌擠密級配瀝青混合料抗滑磨耗層的設計方法［J］.華東公路，2001(2):59-63.

［6］黃 文，許志鴻.薄層瀝青混凝土力學參數的分析［J］.華東公路，2003，145(6):89-92.