瀝青路面級配碎石基層強度控制標準研究

李如敏 孫明山

(河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊 050006)

0 引言

隨著重載交通的不斷發展，傳統以多層彈性理論為基礎的路面結構設計方法正面臨著嚴峻考驗[1]。對于當前復雜的路面病害狀況，以應力應變為主的路面結構設計指標已難以滿足設計需求，也未能充分考慮力學響應規律和材料特性，從而導致瀝青路面耐久性嚴重不足[2]。目前瀝青路面的各結構層基本上按全功能要求進行設計，但結果很難與瀝青各結構層力學和功能要求相適應。本文基于重交通瀝青路面損壞機理、路面荷載響應規律及材料特性等，從力學響應入手，開展倒裝瀝青路面級配碎石基層的強度控制標準研究。

1 研究方法

1.1 力學計算參數

基于BISAR3.0程序，分析瀝青路面結構層材料參數及荷載的變化對路面結構應力的影響。在分析過程中，本文將路面結構均視為線彈性層狀體系[3]。以河北寒區某倒裝瀝青路面為例，其路面結構和計算參數如表1所示。

表1 路面結構及參數

基于JTG D50—2017公路瀝青路面設計規范，荷載及計算點采用雙圓均布豎向荷載作為計算荷載，如圖1所示。

1.2 強度指標選取

根據現場調研可知，瀝青路面結構的損壞類型主要有面層的開裂和車轍以及基層的剪切破壞[4]。級配碎石基層發生剪切破壞的實質是由于其結構內部的剪應力超過其抗剪強度而發生的剪切變形。因此，宜采用反映剪切變形能力的抗剪強度作為其強度控制指標。本文分別選取CBR和抗壓強度作為級配碎石基層材料的強度設計指標。

2 結果與討論

2.1 級配碎石基層的力學響應分析

對于級配碎石結構層，由于路表拉應力即使在較大荷載作用下數值仍然較小，故后文不再對設配碎石過渡層的瀝青路面進行荷載作用下的路表拉應力研究[5]。考慮級配碎石容易發生塑性變形，故研究0.7 MPa荷載作用下級配碎石基層剪應力分布規律，如圖2所示。

圖2表明， 級配碎石層剪應力最大值出現在級配碎石層頂部O2點，故選O2點作為級配碎石層剪應力研究點位。不同荷載作用下O2點級配碎石層剪應力分布規律見圖3。由圖3可知，級配碎石層最大剪應力隨荷載的增加線性增大。

2.2 級配碎石基層對各結構層力學指標的影響

為了便于計算與分析，選取級配碎石厚度范圍為12 cm～20 cm，模量范圍為300 MPa～800 MPa。級配碎石基層厚度和模量對面層層底拉應力、級配碎石基層剪應力及基層層底拉應力最大值的影響規律如圖4～圖6所示。

由圖4可知，級配碎石模量在300 MPa～800 MPa之間變化時，最大可降低面層層底拉應力約58%。當級配碎石層厚度不變，模量為700 MPa時，所產生的面層層底拉應力最小。由圖5可知，當級配碎石層厚度不變時，隨著級配碎石層模量的增加，級配碎石層的剪應力增大約17%。當級配碎石層厚度為18 cm時，所產生的自身剪應力相對最小。由圖6可知，當級配碎石層厚度不變時，級配碎石層模量的變化對半剛性基層層底拉應力無顯著影響。當級配碎石層厚度由12 cm增大到20 cm時，可降低基層層底拉應力約31%。結合上述力學計算結果和現場施工要求，推薦該區域現場施工時級配碎石層最佳模量為700 MPa，最佳厚度取18 cm。

2.3 級配碎石基層的強度控制標準

利用表1中的路面結構和基本計算參數，計算路面結構的壓應力；運用數理統計方法，計算柔性基層的壓應力水平；由累計當量軸次計算不同交通等級下的抗壓強度結構系數，并根據公路等級和交通等級的關系，計算重交通公路等級下，級配碎石基層材料的抗壓強度要求；綜合考慮現場施工要求與計算結果，得到柔性基層材料的抗壓強度標準，并根據CBR與抗壓強度的關系，制定CBR標準。

1)壓應力水平計算。

依據表1中的路面結構和計算參數，現場調研該地區重交通公路對應的累計當量軸次，采用ABQUES軟件計算所選路面結構級配碎石層的壓應力，并將結果平均值作為壓應力水平，結果如表2所示。

表2 級配碎石層的壓應力水平

2)強度標準的建立。

在車輛荷載的作用下，級配碎石材料的最大壓應力δmax超過材料的容許壓應力δR時，級配碎石基層就會產生過大的永久變形，發生破壞。故級配碎石基層最大壓應力應不大于容許壓應力[6]。根據最不利臨界條件，假定最大壓應力σmax等于容許壓應力σR，則可得級配碎石要求的抗壓強度δf:

δf=δmax×Ku

(1)

其中，δf為抗壓強度；δmax為最大壓應力；Ku為抗壓強度結構系數。

根據現場交通量調研以及瀝青路面設計規范[7]，計算河北寒區不同交通等級下的抗壓強度結構系數代表值，結果如表3所示。

表3 河北寒區不同交通等級下的抗壓強度結構系數代表值

本項目依托工程為重交通路面，在表3中對應的抗壓強度結構系數為2.37。根據式(1)可得級配碎石在該區域重交通等級下的抗壓強度要求為1.01 MPa。

利用CBR與抗壓強度的關系，可將抗壓強度要求轉化為CBR要求。根據室內試驗結果，CBR值與無側限抗壓強度之間具有如下關系[8]：

CBR=366Rc-33.9

(2)

其中，CBR為加州承載比，%；Rc為抗壓強度，MPa。

上述求得抗壓強度為1.01 MPa，將該值代入式(2)，得出河北寒區重交通公路級配碎石的CBR標準為335.76%。

3 結語

當級配碎石層厚度不變，模量為700 MPa時，所產生的面層層底拉應力最小。當模量不變時，隨著級配碎石層厚度的增大，級配碎石層的剪應力變化不大。結合BISAR3.0力學計算結果和現場施工技術標準，推薦級配碎石層的最佳模量為700 MPa，厚度為18 cm。計算得出級配碎石基層在重交通公路等級下的抗壓強度標準為1.01 MPa，CBR強度標準為335.76%。