基層模量及層間接觸對半剛性瀝青路面影響分析

黃 玲

(聞垣高速公路建設管理處，山西運城 044000)

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，交通量不斷增加，對道路的性能要求也越來越高。由于半剛性基層具有材料易獲得、強度高、造價低等優(yōu)勢，使得半剛性基層成為我國高等級公路路面主要結構組合。我國現行的瀝青路面設計規(guī)范以層狀彈性體系為基礎，設計時假定道路各結構層之間的接觸面完全連續(xù)［1］。然而完全按照瀝青路面設計規(guī)范對路面材料進行設計，路面仍會出現諸如車轍、壅包等早期破壞形式［2］;工程實踐證明，瀝青面層與半剛性基層之間以及瀝青混凝土層之間的層間界面粘結比較薄弱，處于完全滑動與完全連續(xù)的中間狀態(tài)，層與層之間通過接觸傳遞應力［3］。這樣表明瀝青路面的實際狀況與設計理論指標之間存在著差異與不符，所以有必要對路面結構進行應力分析，使其結果對路面設計及施工過程中給予一定的參照依據。

本文采用殼牌公司開發(fā)的層狀彈性體系分析軟件BISAR3.0，分析了層間連續(xù)、基層模量對路表彎沉、路面應力影響，研究了在不同層間接觸狀態(tài)、不同模量情況下，雙圓均布垂直荷載中荷載對稱軸上A(面層頂部)、B(面層與基層交界處)兩點路表彎沉、徑向應力、豎向應力、切向應力的變化趨勢，為半剛性基層路面設計提供可靠參考。

1 路面結構方案及計算結構的選取

1.1 路面結構方案

本文為計算簡便把道路結構層劃分為三層即面層、基層、土基。路面結構及參數見表1。

表1 路面結構及參數

1.2 計算說明

本次分析中，計算荷載采用標準雙輪軸載100 kN，垂直荷載為 p=0.7 MPa，當量圓半徑 δ=10.65 cm，兩輪荷載中心間距 3δ。層間考慮完全光滑及完全連續(xù)兩種極端情況。在計算中設定:r方向為車輛行駛方向，即路面縱向;z軸為路面深度方向。采用BISAR3.0軟件進行計算，整個計算過程中，拉應力為正，壓應力為負。具體情況見圖1。

1.3 計算組合說明

計算情況分為8種組合如下:

1)層間連續(xù)土基模量120 MPa，基層模量800 MPa。

2)層間連續(xù)土基模量120 MPa，基層模量7 000 MPa。

3)層間連續(xù)土基模量500 MPa，基層模量800 MPa。

4)層間連續(xù)土基模量500 MPa，基層模量7 000 MPa。

5)層間光滑土基模量120 MPa，基層模量800 MPa。

6)層間光滑土基模量120 MPa，基層模量7 000 MPa。

7)層間光滑土基模量500 MPa，基層模量800 MPa。

8)層間光滑土基模量500 MPa，基層模量7 000 MPa。

2 層間連續(xù)狀態(tài)對路表彎沉、路面應力的影響

2.1 層間連續(xù)對路表彎沉的影響

根據以上8種不同組合，通過BISAR3.0，計算層間連續(xù)狀態(tài)對路表彎沉的影響，結果如圖2所示。

圖1 荷載、計算點示意圖

圖2 層間連續(xù)狀況對路表彎沉的影響

從圖2可以看出:不同模量組合，隨著層間接觸狀態(tài)由完全連續(xù)向完全光滑變化，路表彎沉都會增大，但是增大幅度并不是很明顯，最大的是41.9%(800/120組合狀況)。

2.2 層間連續(xù)對瀝青面底面徑向應力、基層豎向應力的影響

通過選用不同層間接觸狀態(tài)，選取基層模量分別為800 MPa，7 000 MPa，土基模量分別為120 MPa，500 MPa的不同組合狀況下研究瀝青層底面徑向應力、基層豎向應力的變化趨勢，分別如圖3，圖4所示。

圖3 層間連續(xù)狀況對瀝青層底徑向應力的影響

圖4 層間連續(xù)狀況對基層豎向應力的影響

從圖3可以看出，層間接觸狀態(tài)對瀝青層底面的應力有較大影響。在完全連續(xù)的情況下，四種模量組合情況下，徑向均為壓應力;在完全光滑的情況下，對于基層模量為7 000 MPa的情況下，徑向應力仍為壓應力，但是對于基層模量較小800 MPa的情況下，徑向應力為拉應力。可以發(fā)現，層間連續(xù)狀況對于瀝青層底部徑向應力有很大的影響，最大影響幅度達到454%(800/120組合狀況)。

從圖4可以看出，在各種模量組合下，基層頂部豎向應力無論層間連續(xù)狀況與否，均表現為壓應力。當層間光滑時，壓應力較層間連續(xù)時大。

3 基層模量對路面彎沉、應力的影響

3.1 基層模量對A，B點彎沉值的影響

基層模量分別取800 MPa，7 000 MPa，土基模量分別為120 MPa，500 MPa時，在兩種不同層間狀態(tài)下，A，B兩點彎沉值變化趨勢如圖5所示。由圖5可知隨著基層模量的增加，A，B點的彎沉值都會減小。

圖5 基層模量對A/B點彎沉值的影響

3.2 基層模量對A，B點豎向應力的影響

通過選取以上兩種不同的基層模量、土基模量在兩種不同層間狀態(tài)下，對A，B兩點進行豎向應力計算。可知不論A點模量如何變化，處于何種層間狀態(tài)下A點的值都為零。B點的豎向應力值變化趨勢由圖6可知:基層模量增大則B點豎向應力增大，且由圖可知基層始終受壓。

圖6 基層模量對B點豎向應力的影響

3.3 基層模量對A，B點徑向應力的影響

通過選取以上兩種不同的基層模量、土基模量在兩種不同層間狀態(tài)下，A，B兩點徑向應力變化趨勢，計算結果見圖7。

圖7 基層模量對A/B點徑向應力的影響

由圖7a)可知:A點(面層頂部)的徑向應力隨著模量的增大會有所增加，光滑時變化幅度較大。A點處于受拉狀態(tài)，說明此時并不是基層模量越大越好，越大反而使A點處于不利狀態(tài)。

B點位于面層與基層交界處可得到兩個不同的徑向應力即面層底部徑向應力、基層頂部徑向應力。由圖7b)可知:B點面層頂部徑向拉應力隨著基層模量的增加而降低且壓應力隨著基層模量的增加而增大。由圖7c)可知:B點基層頂部徑向應力隨著基層模量的增加而增大。

3.4 基層模量對B點切向應力的影響

由于A點位于路表面，路表面不受水平力作用，故A點無切向應力。所以只需對B點進行切向應力計算，B點位于面層與基層交界處可得到兩個不同的切向應力即面層底部切向應力、基層頂部切向應力。結果見圖8。

圖8 基層模量對B點切向應力的影響

由圖8可知:基層模量對面層底部及基層頂部的切向應力的影響很小，當層間接觸處于完全光滑時，基層頂底部的切向應力幾乎接近于0。

4 結語

本文采用BISAR3.0軟件對典型的半剛性基層路面結構計算，分析層間連續(xù)、基層模量對路表彎沉、路面應力影響，研究在不同層間接觸狀態(tài)、不同模量情況下，雙圓均布垂直荷載中荷載對稱軸上A(面層頂部)、B(面層與基層交界處)兩點路表彎沉、徑向應力、豎向應力、切向應力的變化趨勢，得到以下主要結論:

1)不同模量組合，隨著層間接觸狀態(tài)由完全連續(xù)向完全光滑變化，路表彎沉都會增大，但是增大幅度并不是很明顯，最大的是41.9%(800/120 組合狀況)。

2)層間接觸狀態(tài)對瀝青層底面的應力有較大影響，在完全連續(xù)的情況下，徑向均為壓應力;在完全光滑的情況下，對于基層模量7 000 MPa的情況下，徑向應力仍為壓應力，但是對于基層模量較小800 MPa的情況下，徑向應力為拉應力，使瀝青層處于不利狀態(tài)。

3)彎沉值隨著基層模量的增大而減小，即彎沉值與基層模量取值成反比關系。4)雙圓均布垂直荷載中荷載對稱軸上A點(面層頂部)處于受拉狀態(tài)，說明此時并不是基層模量越大越好，越大反而使A點處于不利狀態(tài)。所以基層模量在選取時應選擇一個適當值。

5)基層模量對面層底部及基層頂部的切向應力的影響很小。且當層間接觸處于完全光滑時，基層頂底部的切向應力幾乎接近于0。

［1］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規(guī)范［S］.

［2］張睿卓，凌天清，袁 明，等.半剛性基層模量對面結構受力的影響［J］.重慶交通大學學報(自然科學版)，2011，30(4):755-758.

［3］劉紅坡.層間接觸對半剛性瀝青路面力學響應的影響［D］.成都:西南交通大學，2006.