基層層間狀態對瀝青路面荷載應力與疲勞性能的影響

趙殿鵬，楊 平，張 豪

(1．南京林業大學土木工程學院，南京210037;2．浙江省交通運輸廳工程質量監督局，杭州311215;3．浙江工業大學，杭州310012)

我國公路瀝青路面設計規范［1］中是假設各結構層間完全連續，然而，在實際使用過程中，因路面整個結構層材料屬性不同、施工先后不同、路面表面的充分壓實和層間污染等問題［2］，層間界面接觸狀態十分復雜，瀝青面層層間、面層與基層層間、基層與底基層層間、底基層與土基之間只能通過不同的接觸傳遞應力［3］。因此，路面的實際工作狀態與瀝青路面的設計理論不相符合，導致瀝青路面力學響應與層間完全連續狀態時的假定不同，而層間結合條件對路面結構的應力應變影響很大，進而會直接影響瀝青路面的疲勞性能。相關文獻研究發現，瀝青路面結構層間狀態與其力學響應和病害的出現有密切關系［4-5］。趙桂娟等分析了不同水平荷載和面基層間接觸狀態對瀝青路面結構剪應力的影響［6］;倪富建等運用有限元分析法研究了不同基-面層間粘結狀態下路面結構力學響應［7］;龔紅仁研究了層間狀態對瀝青路面疲勞開裂與位移的影響［8］;劉春雨等通過室內試驗研究了不同基層間接觸狀態下半剛性基層抗裂性能發現，層間粘結越差半剛性基層抗裂性能越弱［9］。上述研究主要集中于理論分析瀝青路面面層-面層之間、基層-面層之間的層間粘結狀態對路面性能的影響，或者通過室內試驗研究水穩基層間粘結性能及其抗剪強度等指標，并未從力學理論上揭示基層層間狀態對瀝青路面的疲勞性能影響規律。

為分析半剛性基層間粘結狀態對瀝青路面疲勞性能的影響，本文基于彈性層狀體系理論，利用BISAR程序中剪切彈性柔量AK表征雙層半剛性基層的層間粘結狀態，分析瀝青路面彎沉、層底拉應力和剪應力隨AK的變化規律;研究半剛性基層層間粘結狀態對路面結構疲勞性能的影響，并通過基層單對數疲勞方程研究分析瀝青路面的疲勞性能。

1 計算模型與計算參數

1．1 計算模型

半剛性基層瀝青路面是一種多層彈性體系，本文以水泥穩定碎石半剛性基層為研究對象，除了層間結合狀況通過BISAR程序中的剪切彈性柔量表征外，其它均采用層狀彈性體系假設。計算坐標以車輛行駛的反方向為X軸(即水平力的作用方向)，車軸方向作為Y軸，深度方向作為Z軸，如圖1所示。

圖1 路面結構受荷簡化模型Fig．1 Simplified Model of Pavement Structure Under the Load

1．2 計算參數

為了對水泥穩定碎石基層瀝青路面進行路面力學分析，需要先確定路面結構參數，包括:軸載、面層模量、面層厚度、基層模量、基層厚度、地基模量及各結構層泊松比等。

1．2．1 軸 載

采用我國公路瀝青路面設計規范的標準軸載(BZZ-100)，主要參數見表1。

表1 標準軸載計算參數Tab．1 Basic Parameters of Standard Axle Load

1．2．2 結構參數

車輛在行駛過程中，除對路面施加垂直載荷外，還存在加減速過程中車輪胎與地面之間的水平摩擦作用力，本文采用摩擦系數f=0．5時對應的水平力，路面結構力學計算參數依據道路設計常用數據手冊［9］，見表2。

表2 路面結構參數Tab．2 Parameters of Pavement Structure

2 表征參數

2．1 基層層間狀態表征參數

本文采用SHELL設計程序BISAR軟件中的剪切彈性柔量AK表示層間粘結狀態，剪切彈性柔量的定義式:

式中:AK為剪切彈性柔量，m3/N;μ為層間相對水平位移，m;σ0為表面應力，Pa。

基層層間接觸狀況采用摩擦參數?表征，?與AK的關系:

式中:v為對應結構層泊松比;E為結構層的模量，MPa;a為車輪荷載半徑，m。

由上式可知，AK越小，則?越小，層間粘結越好;AK越小則?越大，層間粘結越差。當AK=0時，層間為完全粘結狀態;AK=∞時，層間為完全光滑狀態。考慮到路面的破壞主要是彎拉應力和剪切破壞，?值分別取 0、0．2、0．4、0．6、0．8 和1．0。分析路表彎沉值、層間剪切應力和層底彎拉應力隨?的變化，以此考察不同基層層間接觸狀態對路面結構力學響應和疲勞性能的影響。根據表2給定的計算參數，表3給出了?與簡化剪切彈性柔量ALK的對照表。

表3 摩擦參數與簡化剪切彈性柔量值對照表Tab．3 Friction Parameter and Simplified Shear Elasticity Soft Value

2．2 疲勞壽命表征參數

影響半剛性基層瀝青路面破壞的主要應力分量包括 σx、σy、σz、τxz和 τyz等，其中 σx、σy取正值時代表彎拉應力，引起瀝青路面結構開裂破壞;σz取正值時表征層間的拉應力，可以引起層間拉脫破壞;τxz和τyz表示層間剪切應力，可以引起層間剪切破壞。本文參照《瀝青路面設計指標和參數研究專題報告一:無機結合料穩定類基層疲勞損壞預估模型研究》［11］中在無機結合料穩定類基層材料疲勞性能現場ALF試驗的基礎上，提出的室內疲勞壽命預估模型與實際路面疲勞損壞之間的聯系的水泥穩定碎石基層材料疲勞損壞預估模型:

式中:Nf為疲勞壽命，次;σf為彎拉應力，MPa;σs為抗彎拉強度，MPa。

3 結果與分析

3．1 基層層間狀態對其疲勞壽命的影響

表4中數據表示基層層間狀態對水泥穩定碎石半剛性上基層和底基層疲勞壽命的影響。從表4中可以看出:不論是上基層還是下基層，水泥穩定碎石半剛性基層的疲勞壽命均隨?的增大而降低。且當層間粘結狀態較好(?≤0．8)時，下基層的疲勞壽命遠遠小于上基層的疲勞壽命;但當層間完全光滑(?=1．0)時，由于上、下基層層間的彎拉應力不能有效傳遞，上基層疲勞壽命僅為1．91×106次，遠遠小于下基層的疲勞壽命5．11×106次，上基層的疲勞壽命僅為下基層疲勞壽命的37．4%。

表4 對基層疲勞壽命(106次)的影響Tab．4 Impacts of on base fatigue life

為了量化分析對上、下基層層間粘結狀態對疲勞壽命的影響，圖2給出了不同層間粘結狀態條件下，半剛性基層瀝青路面上、下基層疲勞壽命相對于層間完全連續時的衰減率。

圖2 基層疲勞壽命隨?的衰減率(與層間完全連續狀態相比)Fig．2 Decrease rate of base course fatigue life vs．?(Compared with completely continuous interlayer state)

由圖2可以看出:不同的層間粘結狀態(?)對疲勞壽命的影響程度存在顯著差異。下基層疲勞壽命對上、下基層層間狀態敏感性差，與層間完全連續狀態(?=0)相比，完全光滑狀態(?=1)的疲勞壽命僅降低了27．74%。然而，上基層疲勞壽命對上、下基層層間狀態敏感性顯著，與層間完全連續狀態(?=0)相比，完全光滑狀態(?=1)的疲勞壽命的降幅高達了90．31%。由此說明，水穩基層間狀態良好時，上面層不會首先疲勞開裂，而疲勞破壞會從下基層向上發展傳遞;但是水穩基層間狀態很差時，疲勞破壞首先發生在上基層。

3．2 層底彎拉應力分析

圖3為不同層間接觸狀態下輪載中心正下方各層底的最大拉應力分布圖，其中正為受拉，負為受壓。從圖3中可以看出:隨?的增大，各層底的拉應力出現不同程度的增長:在不同的層間接觸狀態下，面層層底皆為壓應力，且其應力大小相對穩定;最大拉應力基本出現在下基層底，其大小也相對穩定，變化幅度在10%以內;上基層底最大拉應力雖然相對底基層層底小一些，但是其增幅遠遠超過了下基層底最大拉應力增幅，當?大于0．8時，上基層底大于下基層底的拉應力。在基層間完全光滑狀態下，上基層底最大拉應力達到了0．265MPa，是完全連續狀態時的5．7倍。

圖3 不同?狀態下各層底拉應力Fig．3 Tensile Stress at Each Bottom vs．?

3．3 層間剪應力分析

圖4給出了半剛性基層瀝青路面各結構層層底最大剪應力隨摩擦參數?的變化圖。

圖4 不同?狀態下最大剪應力Fig．4 Maximum Shear Stress at Each Bottom at different?

由圖4可見，層底剪應力隨深度增加呈顯著降低趨勢，面層層底是底基層層底剪應力的2倍。各結構層底剪應力水平隨著?增大而出現大幅增長，從完全連續狀態到完全光滑狀態，上基層底的最大剪應力增幅最大為31%，面層底最大剪應力增長了25%，而下基層底的最大剪應力增幅為12%。該結果可以很好地解釋道路層間粘結力衰減過程。道路使用初期層底的剪應力水平較低，在垂直和水平荷載的作用下，各層間的粘結力因剪應力的出現而有不同程度的削減，當層間粘結惡化時各層底的剪應力水平增大，如此反復，形成惡性循環，最后使層間接近光滑狀態。因此，提高良好的層間接觸狀態能夠使路面結構各應力重新分布，降低層間剪應力水平和出現層間滑移的可能性，保證了道路結構的力學穩定性。

4 結論

(1)水穩基層間狀態良好時，上面層不會首先疲勞開裂，而疲勞破壞會從下基層向上發展傳遞;但是水穩基層間狀態很差時，疲勞破壞首先發生在上基層。

(2)當層間完全光滑(?=1．0)時，上、下基層層間的彎拉應力不能有效傳遞，上基層疲勞壽命僅為下基層疲勞壽命的37．4%。

(3)基層間接觸不良時，路面結構在車輪荷載的作用下應力水平大幅度提高。基層間完全光滑狀態下，上基層底最大拉應力是完全連續狀態時的5．7 倍。

(4)半剛性基層瀝青路面各結構層底的剪應力隨著?增大而增大。基層層間狀態從完全連續狀態到完全光滑狀態，上基層底的最大剪應力增幅最大為31%，面層底最大剪應力增長了25%，而下基層底的最大剪應力增幅為12%。

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