城市道路瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

付建波

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州）

城市道路是地區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，也是支撐社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心因素。但就我國(guó)城市道路建設(shè)實(shí)際情況來(lái)看，大多存在路面使用壽命不足的問(wèn)題并伴隨存在多種病害，其主要受到材料、設(shè)計(jì)、工藝及管理等因素的影響[1]。盡管城市道路建設(shè)的體量、數(shù)量都處于快速發(fā)展的階段，但迅猛增加的機(jī)動(dòng)車保有量對(duì)此也提出了更高的要求，尤其是重載現(xiàn)象層出不窮使得道路路面問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重[2]。為有效緩解城市道路路面存在的早期破壞，應(yīng)當(dāng)針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)展開(kāi)全面分析，明確各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于路面結(jié)構(gòu)的影響。并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步選擇合適結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合建設(shè)地實(shí)際情況優(yōu)化施工方案，使得項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益、結(jié)構(gòu)性能都能夠得到綜合提升。

1 路面材料選擇

1.1 面層材料

不同級(jí)配的瀝青混合料具有不同性質(zhì)及適用范圍[3]。一般而言，密集配瀝青混合料能夠廣泛應(yīng)用于各等級(jí)公路的不同部位。混合料粒徑大小直接影響著其應(yīng)用層位，混合料粒徑在道路路面結(jié)構(gòu)中自上而下逐漸增大。其中特粗型主要用于基層；粗粒型主要用于基層、下面層；中粒型主要用于表面層、下中面層；細(xì)粒型主要用于薄層罩面、表面層；砂粒型則主要用于人行道、非機(jī)動(dòng)車道等。

1.2 基層材料

道路基層承擔(dān)著上部荷載的作用，應(yīng)當(dāng)兼具較好穩(wěn)定性、耐久性及承載能力。根據(jù)材料性能、結(jié)構(gòu)類型等不同，路面基層一般可分為柔性、剛性及半剛性三類。研究發(fā)現(xiàn)[4]，柔性基層能夠有效控制路面早期開(kāi)裂及破壞，且其與瀝青面層所形成結(jié)構(gòu)在應(yīng)力、應(yīng)變的協(xié)調(diào)過(guò)渡上具有良好效果。此外，柔性基層材料多為級(jí)配成型的顆粒狀，具有良好排水效果，降低路面結(jié)構(gòu)的水損影響。

2 城市瀝青道路路面力學(xué)分析

路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析按照我國(guó)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)假定在垂直施加的雙圓均布荷載下進(jìn)行，依據(jù)彈性層狀體系理論完成分析[5]。

為便于分析，本研究取我國(guó)某市政道路實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)展開(kāi)分析，該道路為當(dāng)?shù)刂鞲陕罚淅鄯e受軸載作用約為500 萬(wàn)軸次。分別取該道路路面的結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力及面層剪應(yīng)力為指標(biāo)展開(kāi)分析，并按照100 KN 標(biāo)準(zhǔn)軸載，施加垂向雙圓均布荷載。取行車方向?yàn)閄 軸、垂行車方向?yàn)閅 軸，建立得到坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

在圖1 中選擇最可能發(fā)生破壞的7 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位，分別為A、B、C、D、E、F、O。分別選取兩種不同路面，探究結(jié)構(gòu)層厚度與層底拉應(yīng)力、彎沉之間的關(guān)系，其路面結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表1。

表1 兩類路面結(jié)構(gòu)形式

2.1 結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路表彎沉值的影響分析

2.1.1 瀝青面層厚度的影響分析

（1） 上面層厚度的影響分析

在上面層模量為1 400 MPa 的條件下，分別取面層厚度為4 cm、5 cm、6 cm、7 cm、8 cm，探究上面層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，兩者變化關(guān)系見(jiàn)圖2。

表2 不同上面層厚度下的路表彎沉值

圖2 上面層厚度、路表彎沉間關(guān)系

根據(jù)表2、圖2 可知在上面層厚度增大的過(guò)程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，上面層厚度自4 cm 上升至8 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)，且隨著厚度增加彎沉值下降差值不斷縮小，因此當(dāng)上面層厚度處于4～7 cm 范圍內(nèi)時(shí)路表彎沉值變化較為顯著；而當(dāng)上面層厚度處于7～8 cm 范圍內(nèi)時(shí)路表彎沉值下降速度則較緩，可認(rèn)為在上面層厚度大于7 cm 時(shí)彎沉值所受影響較為有限。

（2） 中面層厚度的影響分析

在中面層模量為1 200 MPa 的條件下，分別取面層厚度為6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm，探究中面層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，兩者變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

表3 不同中面層厚度下的路表彎沉值

圖3 中面層厚度、路表彎沉間關(guān)系

根據(jù)表3、圖3 可知在中面層厚度增大的過(guò)程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，中面層厚度自6 cm 上升至10 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)。因此可知，將中厚層的厚度自6 cm 調(diào)整至10 cm，能夠顯著提升道路路面使用壽命。特別地，在中厚層厚度自6 cm 提升至7 cm 的過(guò)程中，路面彎沉值發(fā)生了大幅度下降。

（3） 下面層厚度的影響分析

在下面層模量分別為1 000 MPa 的條件下，分別取面層厚度為8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm，探究下面層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同下面層厚度下的路表彎沉值

根據(jù)表4 可知在下面層厚度增大的過(guò)程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，下面層厚度自8 cm 上升至12 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)。因此可知，將下面層的厚度自8 cm 調(diào)整至12 cm，能夠顯著提升道路路面使用壽命。

總體來(lái)看，為實(shí)現(xiàn)對(duì)路表彎沉值的有效控制，可適當(dāng)增加面層厚度，但需要注意的是由此也會(huì)帶來(lái)成本上升。

2.1.2 柔性基層厚度的影響分析

在下面層模量分別為1 200 MPa 的條件下，分別取基層厚度為21/22/23/24/25 cm，探究基層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同基層厚度下的路表彎沉值

根據(jù)表5 可知在基層厚度增大的過(guò)程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，基層厚度自21 cm 上升至25 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)。

2.1.3 底基層厚度的影響分析

在下面層模量分別為225 MPa 的條件下，分別取基層厚度為27/28/29/30/31 cm，探究基層厚度、路表彎沉之間的關(guān)系，得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同底基層厚度下的路表彎沉值

根據(jù)表6 可知在底基層厚度增大的過(guò)程中，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，基層厚度自27 cm 上升至31 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)路表彎沉值有下降趨勢(shì)，但其降幅較小。

2.2 基層厚度對(duì)層底拉應(yīng)力的影響分析

2.2.1 ATB 層厚度、級(jí)配碎石基層厚度的影響分析

（1） ATB 層厚度的影響分析

ATB 層厚度自17 cm 提升至25 cm 的過(guò)程中，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4 可知，ATB 層厚度自17 cm 上升至25 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力有下降趨勢(shì)，且其按照固定差值下降，具有較為顯著規(guī)律。

圖4 不同ATB 層厚度下各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力

（2） 級(jí)配碎石基層厚度的影響分析

隨著級(jí)配碎石基層厚度的增加，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖5。

圖5 不同級(jí)配碎石基層厚度下各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力

根據(jù)圖5 可知，級(jí)配碎石層厚度自26 cm 上升至30 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯變化，由此可認(rèn)為在該結(jié)構(gòu)中級(jí)配碎石厚度對(duì)于控制各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力的作用有限。

2.2.2 水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的影響分析

隨著水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的增加，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖6。

根據(jù)圖6 可知，水泥穩(wěn)定碎石層厚度自26 cm 上升至34 cm 時(shí)，對(duì)應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。其中，底基層的層底拉應(yīng)力水平較低，這樣主要是由于水泥穩(wěn)定碎石材料具有一定松散性，無(wú)法形成有效層間拉力，因此計(jì)算得出的層底拉應(yīng)力為土基上表面與底基層之間的拉應(yīng)力。

圖6 不同水泥穩(wěn)定碎石基層厚度下各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力

2.2.3 層底拉應(yīng)力比對(duì)

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，當(dāng)采用ATB+級(jí)配碎石方案作為基層結(jié)構(gòu)時(shí)，其底基層的層底拉應(yīng)力相較于級(jí)配碎石+水泥穩(wěn)定碎石方案更大。按照受力分析來(lái)看，可認(rèn)為后者的力學(xué)狀態(tài)更為合理，應(yīng)優(yōu)先選擇。

3 結(jié)論

本研究從道路面層、基層材料選擇要點(diǎn)出發(fā)，基于工程實(shí)際需求分別研究了不同結(jié)構(gòu)層厚度下路表彎沉、層底拉應(yīng)力的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：

（1） 在控制面層、基層及底基層中任意兩層厚度不變的基礎(chǔ)上，提升另一層厚度，路表彎沉值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

（2） 在面層厚度不變的基礎(chǔ)上，提升基層厚度，層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

（3） 在兩種設(shè)計(jì)方案比對(duì)中，級(jí)配碎石+水泥穩(wěn)定碎石方案對(duì)應(yīng)底基層的層底拉應(yīng)力更小，方案更優(yōu)。