貧混凝土基層瀝青路面結構力學分析

喬琳 曹花麗 江磊

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005)

目前對貧混凝土基層瀝青路面的研究主要是針對于高速公路等高等級路面，而對普通路面的研究較少。本文主要研究針對于二級公路的貧混凝土基層瀝青路面。

瀝青路面力學性質屬于非線性的粘—彈—塑性體。為了簡化計算，本文將其視作線彈性層狀體系，并采用BISAR3.0(Bitumen Stress Analysis in Road)程序對路面結構應力進行分析[1]。

1 模型的建立與基本假定

采用雙圓均布荷載，其中x向為道路行車方向，y向為道路橫斷面方向，z向為道路深度方向。模型建立如圖1所示。

圖1 路面結構模型

并作出如下假定[2]:

1)各層都是由均質、各向同性的線彈性材料組成，采用彈性模量E和泊松比μ表征;

2)土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，其上的各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限;

3)路表作用垂直荷載，荷載與路表面的接觸形狀呈圓形，接觸面上的壓力均勻分布，同時在下層無限深度處及水平無限遠處應力和應變都是零;

4)層間接觸面假定為完全連續。

2 路面結構選取

選用瀝青面層為3 cm的上面層+4 cm的下面層，貧混凝土基層為20 cm，底基層為水泥穩定碎石20 cm，具體結構及參數見表1。

表1 路面結構及參數表

3 荷載及計算點位的選取

JTG D50.2006公路瀝青路面設計規范規定:路面結構設計采用雙圓均布豎向荷載作為作用荷載進行計算，輪胎壓力為0.7 MPa，荷載圓半徑為10.65 cm。

應力計算點位的分布如圖2所示。在XOY水平面內，O1點坐標為(0，－159.75)，O 點坐標為(0，0)，A 點坐標為(0，53.25)，B 點坐標為(0，106.5)，O2點坐標為(0，159.75)，C 點坐標為(0，213)，D點坐標為(0，266.25)。本文主要對 O 點，A點，B點，O2點，C點和D點位置處的應力進行分析。

圖2 計算點位分布

4 路面結構力學分析

4.1 力學指標選取

一般路面設計時，我們主要關注疲勞和車轍兩種損壞[3]。其中車轍形成的主要原因是路面結構的剪應力過大，材料內發生剪切滑移，導致路面極易產生失穩性車轍，所以選取剪應力作為表征車轍的主要力學指標。而疲勞開裂是由結構層內的拉應力的重復作用所致，所以選取拉應力作為表征疲勞開裂的主要力學指標[1]。

4.2 剪應力分布規律分析

選取如表1所示的路面結構及參數，對雙圓均布豎向荷載不同作用點位即O點，A點，B點，O2點，C點和D點(如圖2所示)的應力進行計算。分別計算剪應力在不同點位沿路面深度方向(面層和基層)的分布規律[4]。

由圖3可知，瀝青面層內最大剪應力出現在O2點處，即輪載中心點處。面層內剪應力基本呈現先增大而后減小的規律，最大剪應力出現在C點處深度3 cm～5 cm范圍內，顯然當出現失穩性車轍病害時，在面層受剪力最大部分3 cm～5 cm的區域內，首先發生剪切破壞。

圖3 剪應力沿路面深度分布規律

由圖3又可知基層內最大剪應力出現在O點處，即輪隙中心點處。各作用點位在基層內沿路面深度的分布基本上呈現先減小后增大的規律，基層頂部與底部受到的剪應力都比較大。而最大剪應力出現在基層分別與面層和底基層的接觸部位。

4.3 拉應力分布規律分析

對雙圓均布豎向荷載不同作用點位即O點，A點，B點，O2點，C點和D點(如圖2所示)的應力進行計算。分別計算正應力沿路面深度(面層和基層)的分布規律。

由圖4可知，面層內部對應各點沿路面深度方向各計算點受正應力均為壓應力，而不出現拉應力，即表示面層結構內不會因彎拉應力而出現開裂破壞。壓應力的變化趨勢是逐漸減小，最大值出現在B點位置的面層表面。

圖4 正應力在不同接觸狀態下沿路面深度分布規律

由圖4又可知，各作用點位在基層內沿路面深度正應力的分布都是數值不斷增大，即由壓應力逐漸向拉應力變化，壓應力逐漸減小，拉應力逐漸增大，而壓應力與拉應力的交替部位都是在深度20 cm左右。在基層頂面壓應力最大，而基層底部拉應力值達到最大，顯然基層底部最容易出現開裂破壞。

5 結語

通過計算分析得出如下結論:

1)瀝青路面設計時主要考慮車轍和疲勞，分別用剪應力和拉應力力學指標來表示。

2)瀝青面層內剪應力最大值出現在3 cm～5 cm范圍內，這一部分容易首先發生破壞，施工時應加強注意。

3)面層與基層兩者接觸部位的剪應力都比較大，因此對于整個路面結構來說，面層與基層的接觸區域剪應力比較大，會對路面的高溫穩定性與耐久性產生不利影響，較易產生剪切破壞，易使路面產生車轍、推擠等病害。

4)面層與基層的正應力數值都是逐漸增大的，其中面層內拉應力最大值在面層底部;基層內拉壓應力的交替值在深度20 cm左右，最大拉應力出現在基層底部。

[1] 馬慶偉.基于層位功能考慮的耐久型瀝青路面結構研究[D].西安:長安大學碩士學位論文，2010.

[2] 于 玲，鐘右鵬，包龍生，等.交叉路口瀝青路面變形病害機理分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010，26(4):709-715.

[3] 陳東鵬，童申家.倒裝結構瀝青路面面層層底拉應變分析[J].公路工程，2010，35(1):79-81.

[4] 柳 浩，譚憶秋，宋憲輝，等.瀝青路面基—面層間結合狀態對路面應力響應的影響分析[J].公路交通科技，2009，26(3):1-6.