土基模量對瀝青混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)的影響

岳光華，王 飛，靳延慶

(長安大學(xué)公路學(xué)院)

0 引言

目前我國高等級路面絕大部分為半剛性基層瀝青路面，近年來隨著車輛軸載的增大以及交通量的增加，路面的早期破壞現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。造成路面早期破壞的原因有很多，其中與路基承載力不足有很大的關(guān)系。路基不僅承受自身和路面層的重量，而且承受路面?zhèn)鬟f下來的行車荷載，堅固的路基保證了路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。《公路瀝青路面規(guī)范》(JTG D50-2006)的瀝青路面設(shè)計方法，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中路基力學(xué)性能參數(shù)推薦采用土基回彈模量，它的確定直接影響到其他參數(shù)的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果。因此研究土基回彈模量對瀝青混凝土路面力學(xué)響應(yīng)影響規(guī)律，對我國路面設(shè)計方法考慮土基模量的變化提供一些參考，從而確保路面設(shè)計達(dá)到預(yù)期的使用。應(yīng)用彈性層狀體系理論針對不同的土基模量情況下路面面層和基層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析研究。

1 計算說明

1.1 基本結(jié)構(gòu)和計算參數(shù)

《公路瀝青路面規(guī)范》(JTG D50-2006)規(guī)定設(shè)計宜使路基處于干燥或中濕狀態(tài)，土基回彈模量應(yīng)＞30MPa，重交通、特重交通公路土基回彈模量應(yīng)＞40MPa。為了更好的分析土基回彈模量對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)影響，分別選取土基模量為20MPa，40MPa，60MPa，80MPa，100MPa和120MPa來模擬不同土基承載力的情況，并選取我國高速公路典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，參數(shù)取值見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)取值

1.2 計算軟件

(1)體系是由作用在半無限基礎(chǔ)或者半空間上均勻厚度水平層組成;

(2)在水平方向上各層可以無限延伸;

(3)各層均為均質(zhì)材料和同方向性;

(4)材料都是彈性，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的。

本次計算采用BISAR3.0程序進(jìn)行力學(xué)分析，層間假定完全連續(xù)。計算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載BZZ-100kN，胎壓0.7MPa，輪壓半徑R為10.65cm，雙圓中心距為15.975cm，在計算中假定，X向?yàn)榈缆沸熊嚪较?，Y向?yàn)榈缆窓M斷面方向，Z向?yàn)樯疃确较颉?/p>

2 計算分析

2.1 土基模量對路表和路基頂面彎沉影響

利用BISAR計程序進(jìn)行計算，不同的土基回彈模量對路表路基頂面的彎沉影響如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可以看出，(1)路表和路基頂面隨著土基模量的增加，彎沉都會不斷的減小。當(dāng)土基模量從20MPa增大到120MPa時，路表彎沉隨著土基模量每增加20MPa分別減小了201，83.4，46.9，30.6，21.8，說明當(dāng)路基模量較小時，路表和路基頂面的彎沉降低的速率較快，并隨著土基模量的增加速率逐漸降低。(2)路表彎沉和路基頂面彎沉隨著土基模量的增加而減小的差值基本不變，即減去土基頂面部分產(chǎn)生的彎沉值以后，路面結(jié)構(gòu)本身所產(chǎn)生的彎沉基本上保持不變，說明土基模量的變化對土基頂面彎沉的影響要大于路表彎沉。(3)路表彎沉在輪隙中心兩側(cè)先增加再減小，在單圓荷載中心處達(dá)到最大值;而路基頂面彎沉在輪隙中心處達(dá)到最大值，在輪隙中心兩側(cè)彎沉值基本相同。

圖1 路表豎向位移計算曲線

圖2 路基頂面豎向位移計算曲線

由以上分析可知保證土基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，適當(dāng)提高土基的回彈模量對減少路面的整體彎沉有很大的工程指導(dǎo)意義。

2.2 土基模量對面層和基層層底最大拉應(yīng)力的影響

利用BISAR計程序進(jìn)行計算，不同的土基回彈模量對面層和基層層底最大拉應(yīng)力的影響如圖4和圖5所示。

圖3 面層層底最大拉應(yīng)力計算曲線

圖4 基層層底最大拉應(yīng)力計算曲線

由圖4可以看出，從輪隙中心到兩側(cè)距輪隙0.3m范圍內(nèi)面層層底最大拉應(yīng)力為負(fù)值，即表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在土基模量增加的時候，壓應(yīng)力逐步減小;在兩側(cè)距輪隙距離大于0.3m時，面層層底拉應(yīng)力為正值，但拉應(yīng)力對土基模量的變化不敏感，大小基本不變。

由圖5可以看出，層底最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在輪隙中心，并在遠(yuǎn)離輪隙中心時不斷減小?；鶎訉拥桌瓚?yīng)力隨土基模量的增大而減小，模量從20MPa增加到120MPa時最大拉應(yīng)力減少了41.2％，土基模量越大，減小的幅度降低。說明合理的選擇土基模量對減少基層層底的最大拉應(yīng)力效果明顯。

由以上分析可知，土基模量對底基層的層底最大拉應(yīng)力的影響程度較面層的層底最大拉應(yīng)力大，所以對于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，半剛性基層的層底拉應(yīng)力起主要控制作用，瀝青面層的層底拉應(yīng)力基本不起控制作用。

2.3 土基模量對路基頂面壓應(yīng)變的影響

雖然路面車轍和其他早期病害主要是由面層產(chǎn)生的，但是路基也是路面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保證，因此路基頂應(yīng)變是國外較常用的一項(xiàng)指標(biāo)。利用BISAR對不同的土基模量下對路基頂應(yīng)變的影響進(jìn)行分析。如圖5所示。

由圖5可以看出，土基頂面壓應(yīng)變在輪隙中心出現(xiàn)最大值，并隨著遠(yuǎn)離輪隙中心，應(yīng)變值不斷減小;當(dāng)土基模量從20MPa每增加20MPa時，土基頂面最大壓應(yīng)變值分別減少19.0％，12.6％，9.75％，8.1％和6.97％，所以當(dāng)壓應(yīng)變的值隨著土基模量的增加而減小，并且當(dāng)土基模量比較小時，這種變化特別明顯。隨著路基頂應(yīng)變的減小，路基在使用過程中表現(xiàn)出良好的工作狀態(tài)，就能夠使整個瀝青混凝土路面避免早期破壞并提供較好的服務(wù)狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)土基模量對路表和路基彎沉，基層層底拉應(yīng)力以及路基頂壓應(yīng)變影響較大，并且隨著土基模量的不斷增加，各項(xiàng)指標(biāo)都在減小，這種影響在土基模量較小時更為顯著，因此在工程實(shí)踐中應(yīng)注重軟弱路基的處理，在施工條件允許下，盡可能的提高路基的強(qiáng)度和剛度。

(2)路表和基層頂面在車輛荷載作用下出現(xiàn)最大豎向位移的位置不同，路表在單圓荷載中心出現(xiàn)最大豎向位移，而路基頂面出現(xiàn)的位置在雙輪輪隙中心。

(3)對于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，土基模量對底基層的層底最大拉應(yīng)力的影響程度較面層的層底最大拉應(yīng)力大，所以在設(shè)計時半剛性基層的層底拉應(yīng)力起主要控制作用。

[1] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及防治[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(JTG D50-2006)[S].