混合式基層瀝青路面結構的力學特性研究

馮學茂

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

目前，我國大部分高速公路采用半剛性基層瀝青路面。由于其材料性質，半剛性基層瀝青路面不可避免地會產生溫度收縮或干縮開裂，引起面層反射裂縫，進而導致路面結構破壞?；旌鲜交鶎邮菍τ谥袊Ｓ玫娜嵝曰鶎蛹鞍雱傂曰鶎佣岢龅穆访娼Y構形式。本文擬定3種混合式基層瀝青路面結構，通過BISAR軟件進行路面應力、應變計算，研究不同混合式基層路面結構的力學性能，以期為混合式基層瀝青路面的設計、施工及養護提供思路和方案。

1 混合式基層路面結構方案計算參數

擬定三種混合式基層瀝青路面結構為計算模型，材料參數參考相關規范推薦值。路面結構及材料參數見表1、表2。

表1 路面結構類型表

表2 計算參數表

根據路面結構類型和計算參數的不同，荷載標準荷載模式的設計規范，即單軸雙套，單輪傳壓面當量圓直徑d=2、δ=21.3 cm，兩輪中心距離為1.5 d，軸荷載P=100 kN，輪胎地壓p=0.7 MPa，計算方案見圖1(a)。利用BISAR3.0彈性分層系統計算和分析軟件計算，假設夾層完全連續，在雙圓垂直均勻分布荷載作用下，最不利的應力和應變空間位置在道路橫斷面上，如圖1(b)所示。

2 力學特性分析

2.1 彎拉應變、應力分析

應用BISAR3.0軟件進行計算，計算點位于雙圓中心處。各結構層層底彎拉應變、應力見表3、表4。

圖1 力學分析計算示意圖

表3 不同混合式基層瀝青路面彎拉應變計算表

表4 不同混合式基層瀝青路面彎拉應力計算表

圖2 不同混合式基層瀝青路面彎拉應變沿路深對比圖

圖3 不同混合式基層瀝青路面彎拉應力沿路深對比圖

由圖2、圖3可知：

(1)對三種混合基瀝青路面的彎拉應變最不利位置在雙圓中心18 cm處，且以結構二的彎拉應變最大。中面層層底小范圍內表現為壓應變。三種瀝青路面結構基層亦承受較大的彎拉應變，結構三由于底基層模量較小，其彎拉應變最大，結構一、二次之。因此，對于結構三，其結構下部材料對于抗彎拉能力的要求亦較高。

(2)三種結構在瀝青層表面均出現拉應力，但數量較小。結構二的下面層為拉應力，而結構一、三表現為壓應力。下基層、底基層表現為拉應力，且隨著深度的增加，拉應力逐漸增大，其中結構三的增幅最大?？梢娀旌鲜交鶎勇访娼Y構二的抗拉開裂能力優于其他兩種結構。

2.2 豎向應變、應力分析

使用BISAR3.0軟件計算，計算點位于雙圓的中心。各結構層層底的豎向應變和應力見表5和表6。

表5 不同混合式基層瀝青路面豎向應變計算表

表6 不同混合式基層瀝青路面垂直應力計算表

圖4 不同混合式基層瀝青路面豎向應變沿路深對比圖

圖5 不同混合式基層瀝青路面垂直應力沿路深對比圖

由圖4、圖5可知：

在雙圓中心，三種瀝青路面結構豎向應變、垂直應力分布較為相似。從路表至基層，道路深度變大的同時，豎向壓應變相應地呈遞增狀態，且瀝青底部的壓應變為最大，其中結構二下面層底部壓應變最大，達148.8×10-6。在基層內部，豎向壓應變隨道路深度的增加相應逐漸減小。而三者應力大小基本相同。

3 三種混合式基層瀝青路面綜合評價

(1)分析以上三種混合式基層瀝青路面結構內部的彎拉應力、應變以及豎向應力、應變可知，結構二的瀝青層底產生了較大的彎拉應變、應力，而結構一、三次之，說明混合式基層結構一、結構三的抗裂能力要優于結構二。三種混合式基層瀝青路面結構的路基頂面壓應變、應力基本相同，說明三種混合式基層瀝青路面結構整體抗變形能力相差不大。

(2)結構二采用級配碎石作為上基層，由于級配碎石是一種松散的粒狀材料，它能承受壓應力和剪應力，但不能承受拉伸應力。當半剛性基底的裂縫向上擴散到分級砂礫層時，因為它是疏松的，半剛性底基層裂縫的應力集中將沿著不同方向擴展，經過一定厚度的均勻擴散，可逐漸消除應力集中現象，從而達到良好的防反射裂縫效果。與半剛性基層瀝青路面相比，使瀝青路面裂縫大為減少。

(3)級配碎石具有一定的吸水和排水功能，可以有效防止泥漿或砂漿的產生。結構二以級配碎石為上基層，基本可以防止泥漿或漿液病害的產生，從而有效地避免了網絡裂縫和早期的水害。

(4)結構一、三采用瀝青穩定碎石作為上基層，增加了瀝青層的總厚度，這有助于降低瀝青層底部的拉伸應力和應變，有助于防止和延緩反射裂紋的產生。半剛性基座底部的收縮裂紋反射到瀝青表面，需要通過較厚的瀝青層，可以延緩裂紋的發生。

(5)結構一、三有較厚的瀝青層，能有效延緩自由滲水時間，并能有效延緩“砂漿”或“泥漿”涌出瀝青路面結構層的時間，早期能有效延緩網狀裂縫的開裂。

4 結語

基于BISAR軟件進行路面應力、應變計算可知，三種路面結構中，整體抗變形能力相差不大，結構一、結構三的抗裂能力要優于結構二。結構三由于底基層模量較小，對抗彎拉能力的要求亦較高。結構二采用級配碎石作為上基層，其應力擴散能力、排水功能和吸水功能較強，可有效防止反射裂縫、網狀裂縫和早期水損壞的產生。結構一、三具有較厚的瀝青層，亦可延緩反射裂縫的產生以及延緩早期網狀裂縫的產生。三種結構各有特點，在進行路面設計時，應根據實際需求合理選擇路面結構，以提高路用性能。