大粒徑瀝青碎石下面層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

童申家，惠陣江

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院)

近年來，隨著外在的軸載增加以及環(huán)境和交通渠化等因素的影響，瀝青路面早期出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍損壞和反射裂縫的問題。研究發(fā)現(xiàn)大粒徑瀝青碎石具有較高的抗剪強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度，能夠有效提高抗車轍能力和防止反射裂縫。目前對(duì)于下面層采用大粒徑瀝青混合料的研究較少，針對(duì)不同下面層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的對(duì)比分析，推薦力學(xué)性能較優(yōu)的大粒徑碎石下面層。

1 計(jì)算結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定

根據(jù)常用的結(jié)構(gòu)形式，把路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為七層體系如圖1所示。

圖1 計(jì)算所用路面結(jié)構(gòu)

路面結(jié)構(gòu)基本參數(shù)荷載形式為雙圓荷載，x軸—行車方向，y軸—橫斷面方向，z軸—路面結(jié)構(gòu)深度方向。本次計(jì)算選取輪系中心作為計(jì)算點(diǎn)位。荷載采用雙圓均布垂直荷載，標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪載P=25kN，輪壓p=0.7MPa，半徑d=0.1065m，層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)。

2 僅有荷載作用下AC-25和ATB-30力學(xué)計(jì)算分析

為了進(jìn)一步說明大粒徑瀝青碎石作為下面層的優(yōu)越性，假定僅考慮荷載作用，從面層到土基的溫度與路表溫度相同，分析比較AC-25和ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)。

瀝青混合料設(shè)計(jì)參數(shù)采用規(guī)范20℃下的抗壓回彈模量值，ATB-25和ATB-30采用試驗(yàn)值，如表1所示。路表彎沉和各層層底拉(壓)應(yīng)力、路表及各層剪應(yīng)力值如表2。

表1 瀝青混合料設(shè)計(jì)參數(shù)

為討論方便，簡(jiǎn)稱ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)為I型路面結(jié)構(gòu)，AC-25做下面層的路面結(jié)構(gòu)為II型路面結(jié)構(gòu)。

(1)兩種路面結(jié)構(gòu)的上面層、基層和底基層的層底應(yīng)力值比較接近。中面層處為壓應(yīng)力，II型路面結(jié)構(gòu)的層底應(yīng)力大于I型路面結(jié)構(gòu)的;下面層處I型路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大于II型路面結(jié)構(gòu)的。II型路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉略大于I型路面結(jié)構(gòu)。

當(dāng)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)為下面層層底應(yīng)力和基層、底基層層底應(yīng)力時(shí)，以上分析可知ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)具有力學(xué)特性的優(yōu)勢(shì)。

(2)II型路面結(jié)構(gòu)的路表面、上面層和中面層的剪應(yīng)力要大于I型路面結(jié)構(gòu)的;下面層的剪應(yīng)力，I型路面結(jié)構(gòu)大于II型路面結(jié)構(gòu)，但是I型路面結(jié)構(gòu)中ATB-30作為下面層時(shí)其材料的抗剪強(qiáng)度比AC-25增大很多，所以ATB-30比AC-25能承受更大的剪應(yīng)力;基層和底基層的剪應(yīng)力比較接近。

目前我國(guó)高速公路半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)的車轍基本上都屬于失穩(wěn)型車轍。對(duì)于失穩(wěn)型車轍，最重要的影響因素是在高溫條件下由荷載引起的瀝青面層內(nèi)部的剪應(yīng)力。從剪應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用ATB-30作為下面層時(shí)其他結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力會(huì)相對(duì)減小，下面層本身從材料的抗剪強(qiáng)度上也有增加。由此可知，采用ATB-30作為下面層時(shí)路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力優(yōu)于AC-25作為下面層的路面結(jié)構(gòu)。

3 ATB-25和ATB-30在荷載和溫度耦合下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

大粒徑瀝青碎石ATB-25和ATB-30作下面層的路面結(jié)構(gòu)均具有良好的路用性能，在溫度和荷載耦合作用下，通過分析比較兩種路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，推薦大粒徑碎石下面層。

3.1 溫度場(chǎng)的計(jì)算

計(jì)算時(shí)路表溫度取-40℃，-30℃，-20℃，-10℃，0℃，10℃，15℃，20℃;表面溫度對(duì)其下各結(jié)構(gòu)層的影響隨著深度越大影響越小，當(dāng)路面深度達(dá)到40cm時(shí)溫度梯度的變化趨于穩(wěn)定，假定40cm以下為0℃，設(shè)為基準(zhǔn)溫度。當(dāng)路表面溫度為0℃時(shí)，因?yàn)槁访骟w內(nèi)的基準(zhǔn)溫度為0℃，所以假設(shè)沒有溫度梯度，整個(gè)路面為0℃。其他不同路表溫度按照溫度梯度呈線性變化的原則計(jì)算路面結(jié)構(gòu)體內(nèi)沿厚度方向的溫度場(chǎng)分布。按照以上原則計(jì)算出不同路表溫度下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布如表3所示。

表3 路面各結(jié)構(gòu)層的平均溫度

3.2 不同溫度時(shí)路面材料回彈模量值

根據(jù)表1標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下的抗壓回彈模量，就可以推算其他溫度的相應(yīng)模量值，溫度與反算模量之間的關(guān)系如公式(1)

其中:θ為溫度值;Epθ為溫度為θ時(shí)的抗壓模量值;Ep20為溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度(20℃)的抗壓模量值。

不同溫度下的回彈模量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 路面各結(jié)構(gòu)層在不同溫度下回彈模量

3.3 力學(xué)計(jì)算結(jié)果

采用Bisar3.0對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，分別計(jì)算ATB-25和ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形值。泊松比采用表1，溫度場(chǎng)分布如表3，材料的回彈模量如表4。

為討論方便，簡(jiǎn)稱ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)為I型路面結(jié)構(gòu)，ATB-25做下面層的路面結(jié)構(gòu)為II型路面結(jié)構(gòu)。ATB-30和ATB-25作為下面層時(shí)對(duì)中面層和下面層層底的應(yīng)力影響較大，對(duì)上面層、基層、底基層的應(yīng)力和路表面彎沉影響較小;在中面層處以壓應(yīng)力為主，I型路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力大于II型路面結(jié)構(gòu);在下面層處以拉應(yīng)力為主，II型路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均大于I型路面結(jié)構(gòu)。I型路面結(jié)構(gòu)的路表面彎沉值均略小于II型路面結(jié)構(gòu)。

表5 下面層ATB-30時(shí)路面結(jié)構(gòu)層的路表彎沉和層底應(yīng)力

表6 下面層ATB-25時(shí)路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力和路表彎沉

4 結(jié)語

大粒徑瀝青碎石ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)具有力學(xué)特性的優(yōu)勢(shì)，抗車轍能力等路用性能優(yōu)于普通瀝青混合料AC-25作為下面層的路面結(jié)構(gòu)。

以各層層底的拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，通過對(duì)兩種大粒徑瀝青碎石ATB-25和ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的分析比較可知，ATB-30作為下面層的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較優(yōu)。

綜合以上分析結(jié)果，結(jié)合路用性能的綜合評(píng)比，推薦大粒徑碎石下面層選用ATB-30。

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