強路基下不同結構瀝青路面受力分析

劉昕宇

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津300392）

路基的承載能力在道路使用過程中至關重要。在自然環境與荷載作用下，瀝青路面常因路基承載力不足而出現不均勻沉降，進而發生失穩破壞，影響瀝青路面的正常使用，為車輛行駛安全帶來隱患。因此，在實際工程中，一般需要加固路基來使其能滿足正常的路用性能[1]。

目前的研究多是針對軟弱路基分析，較少針對強路基分析規律。在土質較好地段，通過加強路基，可以提升道路的使用性能與壽命，還可以減薄上部結構厚度，從而減少造價，節約人力物力[2]。

不同路面結構，路基的作用并不相同，因此需要針對不同結構在荷載下的應力-應變狀態進行分析。目前的道路領域研究中，常使用有限元軟件ABAQUS作為道路結構的力學分析手段，其龐大復雜的模型庫、高效計算能力與優秀的可視化界面得到學者的青睞。

本文首先通過調研，確定3種常見結構的受力特點，之后大幅變化路基的模量并分析每個結構的受力特性，得出相應結論，為不同結構的瀝青路面設計提供參考。

1 典型路面結構

首先分析荷載作用下不同路面結構的應力狀態，進而確定整個結構的受力特性。針對不同的路面結構形式，利用ABAQUS軟件分析結構的受力狀態。

1.1 半剛性結構

目前，半剛性基層路面是我國瀝青路面的最典型結構[3]。瀝青層厚度一般為16～20 cm，下方半剛性基層一般采用36～40 cm厚的水泥穩定粒料，底基層一般采用20～40 cm厚的級配碎石或低劑量水泥穩定結合料。各材料層參數見表1[4]。

表1 半剛性基層結構瀝青路面各材料層參數

上中面層主要受壓、底基層主要受拉，部分基層也承受一定拉應力。見圖1。

圖1 半剛性基層瀝青路面受力狀態

因此，該結構組合底基層材料處于最不利的應力狀態，而低劑量水泥穩定粒料的底基層抗拉性能以及受拉疲勞性能極差，如果路基產生不均勻沉降，路面結構的附加應力將主要集中在底基層和基層，容易導致底基層和基層出現開裂。對路基土質不良的地區，半剛性基層將產生過大的附加應力，導致較嚴重的路基不均勻沉降，使得路面出現不同程度的結構性病害。

1.2 倒裝結構

倒裝結構是福建等我國南方地區的典型路面結構[5]。瀝青層一般鋪設20～26 cm厚，下部結構采用15～20 cm厚的級配碎石，底基層采用25～40 cm厚的低劑量水泥穩定粒料作為底基層。各材料層參數見表2[4]。

表2 倒裝結構瀝青路面各材料層參數

倒裝結構的受力呈現出明顯的兩個狀態。結構初建后，由于底基層具有較強的整體性與承載力，瀝青層與底基層所受的拉應力均較小，結構處于合理受力狀態；但隨著車輛荷載的作用以及路基不均勻沉降產生的附加應力，底基層逐漸疲勞失效，承載力大幅下降，此時結構的主要受拉區域為瀝青層底部且受到的拉應力較新建初期明顯增大。見圖2。

圖2 倒裝結構瀝青路面受力狀態

結構中半剛性基層強度剛度大、整體性好，雖然容易出現由于溫度與濕度變化引起的縮裂和地基不均勻沉降引起的開裂，但由于級配碎石的應力分散作用，下基層的開裂不易反射到上面的瀝青層，從而使路面結構具有良好的使用性能。

1.3 柔性基層結構

國外的路面典型結構為柔性基層路面結構[6]。該結構一般形式為上面層厚4 cm左右的細粒式瀝青混凝土，中面層厚8 cm左右的中粒式瀝青混凝土，下部瀝青結構根據設計壽命的不同采用厚15～30 cm的瀝青穩定碎石基層，底基層采用厚16～36 cm的級配碎石層。各材料層參數見表3[4]。

表3 柔性基層瀝青路面各材料層參數

作為最主要的結構層，瀝青上中層承受壓應力，瀝青穩定碎石基層承受拉應力，瀝青層底部是結構層使用壽命的控制條件。見圖3。

圖3 柔性結構瀝青路面受力狀態

柔性基層路面結構具有較好的環境適應性，解決了半剛性基層的反射裂縫問題，在保證荷載不過大的前提下，可以滿足道路的長期使用要求。此外，由于柔性基層與瀝青層黏結牢固，路面整體變形協調能力增強，路面整體抗疲勞耐久性得到進一步提高。但在設計過程中，為滿足荷載條件下的正常使用，往往需要較厚的瀝青層，因此初期建設的成本往往較高[7]。

2 高模量路基下路面結構受力狀態

在對結構受力特點分析的基礎上，進一步分析路基加強下的結構受力特性。半剛性基層瀝青路面主要分析路基模量變化對水泥穩定層層底拉應力與路表彎沉的影響；倒裝結構瀝青路面主要選取路表彎沉、瀝青層底拉應變、水泥穩定層層底拉應力等指標進行研究；柔性基層主要選取瀝青路面路表彎沉、瀝青層底拉應力-應變、路基頂部豎向應力-應變作為路基的控制指標進行研究。

控制加固深度一定，均設為0.3 m，假設路基初始模量為60 MPa，加固后上路床模量分別為100、300、500、700、900、1 100、1 300 MPa，路基其余部分模量保持60 MPa不變。路面結構參數不變。

2.1 半剛性基層瀝青路面

由于半剛性基層的存在，瀝青層均處于受壓狀態，一般不以路基作為結構設計的控制層，而是以半剛性基層作為主要的結構設計控制層。

隨著上路床模量的不斷增加，路表彎沉逐漸減小且減小幅度趨緩，水泥穩定層的層底拉應力和應變不斷減小且均呈近似線性趨勢變化。初始路基最大壓應變為90.79，當上路床模量為60～300 MPa時，隨著上路床的模量不斷增加，路基整體壓應變也在增加；在模量＞300 MPa后，隨著上路床模量的增加，路基最大壓應變呈現線性減小的趨勢，即使模量增加的初始階段路基最大壓應變呈現上升趨勢，其增量也較小。總的來說，模量增加對路基整體壓應變改變不大，但對控制指標水泥穩定層層底拉應力有一定的影響。見圖4。

圖4 路基模量變化下半剛性基層瀝青路面受力特性

2.2 倒裝結構瀝青路面

本文只討論半剛性基層破壞前的受力特點。由于半剛性基層的存在，一般以半剛性基層作為主要的結構設計控制層，還需要考慮瀝青層層底拉應變是否足夠小，因此需要分析改變路基模量對該指標的影響。

隨著上路床模量的增加，瀝青層層底拉應力和應變、水穩層層底拉應力和應變均逐漸減小且變化趨勢較緩。路表彎沉在模量較小時改善效果明顯，當模量進一步提高則減小趨勢變緩。路基最大壓應變與半剛性基層結構相似，上路床模量≤300 MPa時，隨著模量增加應變增大；當模量＞300 MPa時，隨著模量的增加，路基最大壓應變呈線性趨勢減小。見圖5。

圖5 路基模量變化下倒裝結構瀝青路面受力特性

2.3 柔性基層瀝青路面

路表彎沉、瀝青層底拉應力、拉應變隨著模量增加而減小的幅度變小。模量在100～300 MPa時，減小幅度最大。路基壓應變基本隨著模量的增加而線性減小，在模量＞500 MPa后減小幅度變小；因此，路面結構設計應首先考慮對路基進行加固，以提高路基模量來減小路基最大壓應變；在路基壓應變滿足要求后再進行上部結構設計，使其可以滿足瀝青層底拉應變的限值。見圖6。

圖6 路基模量變化下柔性基層瀝青路面受力特性

3 結論

1）由于結構層厚度與材料屬性的差異，提高路基模量對柔性基層瀝青路面整體性能提升最大，這表現為各項指標的減小幅度均大于其他兩種結構。總體來說，3種結構中柔性基層瀝青路面對路基模量變化最為敏感，而半剛性基層瀝青路面對路基模量變化敏感性最差。從性價比上看，在實際工程中，強路基更適合在柔性基層結構中使用。

2）對于半剛性基層結構與倒裝結構，其路面壓應變均較小，即表面上通過提高路基模量來提升結構性能的方法并不可取；但值得注意的是，路基模量的提升會帶來水泥穩定層底拉應力不同程度減小，由于水泥穩定層抗拉性能差，這會間接提高道路的使用壽命。

3）對于倒裝結構瀝青路面，一般可視為存在兩階段壽命。第一階段壽命以半剛性基層的疲勞作為控制條件，水泥穩定層壽命的敏感性與典型的半剛性基層結構的規律基本相同；而第二階段由于半剛性基層破壞，結構完全屬于高模量基層的柔性基層結構的范疇，遵循柔性基層結構設計控制方法。因此，對倒裝結構瀝青路面采取部分加固措施，以保證其在第二階段可以長期使用。