勁度模量對路面結構疲勞壽命的影響

高永杰

(保定市保通公路勘測設計有限責任公司)

1 引 言

瀝青路面結構設計可以看作是建立一個多層次系統結構。每層的結構性能由表示這層材料特性的各種參數決定,也就是各層的厚度、勁度模量、泊松比及疲勞性能曲線。

除力學特性外,層間摩擦力也很重要。假如兩層間黏結充分,也就是層間不會在連接面產生滑動,則路面結構的張力相對要小很多。除層間完全連續、絕對光滑的情況外,還可計算具有部分摩擦力時的情況。

2 現行設計方法(BISAR計算程序)

力學路面結構設計——多層系統力學參數——適用于特定情況通過常用計算機軟件進行設計。BISAR程序較為普遍,由殼牌實驗室開發。程序最大適用于 10層系統。通過力學和幾何學特性對系統進行明確描述。最底層假定為無限大,層厚無限。

荷載定位在坐標系中,程序適用于多層圓形分布荷載疊加。通過 x,y,z坐標可以在坐標系中進行定位,程序在坐標系中計算張力、壓縮應變及位移。

3 計算后路面結構的建立

為了與規范一致,在路面結構設計中,要從路面結構類型中選定合適的路面結構,適應交通量及路基的需要。路面結構由以下各層組成:

(1)瀝青面層;(2)瀝青聯結層;(3)瀝青基層——假設總厚度足夠;(4)底基層;(5)路基。

各層物理特性在以下分項中概述。瀝青類型名字已經從 2008年 5月更改,但由于本研究在 2005～2007年間,因此仍采用舊名字。

3.1 路基

路基是一個無限厚度的半球體。這里的勁度系數是指靜態模量 E2。基于設計規程,設計荷載較不利于滿足設計壽命內的可預見承載值。本設計過程考慮E2=40MN/m2。

本例中,E2的值在 40～80MN/m2之間以 10MN/m2為一階變化,應力隨之發生相應變化。

表 1 基層厚度與模量

3.2 底基層

表 1中描述了基層厚度及其勁度模量。

M50的力學靜態模量是通過 SHELL公式確定的。根據公式,模量由路基模量決定。即

FZKA碎石墊層模量下式確定

E碎石墊層=E路基×(1+10.52 ×lgH碎石墊層-2.10×lgE路基×lgH碎石墊層)

CKt(水硬性砂礫石)的勁度模量確定在 2000MPa;本研究瀝青路面設計過程也假定為此值。

混凝土基層回彈模量可以根據平均壓應力參照混凝土技術公式計算得出。

3.3 上基層

上基層采用瀝青材料,但上基層之上加鋪聯結層越來越普遍。在此計算中,勁度模量的值為假設值。

3.4 聯結層

聯結層材料多采用K-22、K-22/F混合料。其勁度模量的測試方法之一是采用IT-CY(圓柱體試件間接張拉法)測試。在布達佩斯工業與經濟大學公路工程實驗室,瀝青混合料勁度模量的確定采用 IT-CY方法進行測試。測試溫度為 10℃。基于此來測定 K-22/F的勁度模量,見表 2。

表2 計算采用瀝青材料勁度模量

3.5 面層

目前道路建設最常用材料是 AB-11,AB-11/F,AB-16,AB-16/F,ZMA-11混合料。本計算采用AB-11/F混合料。面層和聯結層三種模量分別確定,即均值、最小值、最大值,最小值和最大值分別都在 95%保證率之內。此計算中不采用改性瀝青,雖然其具有較高的勁度模量。

4 采用的路面結構

計算采用的材料性質見表 3。路面結構瀝青層總厚度由交通荷載等級(采用交通荷載等級C,D,E,K)及基層確定,同時考慮最大及最小層厚:

(1)AB-11/F層厚在 35～60mm之間;

(2)K-22/F層厚在 70～100mm之間。完全光滑情況單獨考慮,之后分別考慮光滑程度100%,75%,50%,25%,0%的情況。

計算中,單輪荷載 50kN(單軸重 100kN),作用半徑R=0.15m,p=0.707MPa。

5 計算過程

瀝青層破壞假設為層底拉應力造成,同時垂直壓應力達到最大。經驗顯示壓應力不會達到容許極限值,因此將討論瀝青層最小壓應力的控制。假設完全光滑情況可實現,正是瀝青層最小應力情況,此時應力水平明顯小于中值水平。反之,各瀝青層應力要控制在更低水平。

計算中包括 20種路面結構類型,見表 3,包括 5種基層類型情況,3種不同勁度模量面層,3種不同勁度模量聯結層,5種不同瀝青層間摩擦力情況。

表 3 計算中采用的路面結構類型

6 計算結果

6.1 面層層底拉應力

如果瀝青層間無摩擦力,則拉應力只在面層層底出現,否則將出現壓應力。計算證明了這一點,甚至在摩擦力25%時,只有瀝青層總厚度較小的情況才會出現 20～25με的應力。由此,在設計時,這種標準在瀝青層間完全光滑情況時需要考慮。然而,這種情況在實踐中可能發生,但只在極端情況下出現。圖 1中顯示出幾種不同路面結構類型在最小及最大模量下的面層應力。同交通荷載水平的增長一樣,應力通常不會降低,這是由面層厚度的不連續性造成的。

6.2 瀝青層底拉應力

瀝青層底應力的增長符合早期經驗與研究結論——是路面結構疲勞破壞的主要原因之一,這意味著,此處的應力值是最大的。這種情況下就要確定路面結構的哪個參數的變化導致了應力的明顯變化。

圖 2示例出瀝青層在較低應力水平時勁度模量與應力的關系。計算結果顯示,層底應力與面層勁度模量關系不大。假設路面結構不變,只改變面層模量,層底應力的變化范圍可計算得到,在表4中顯示出其在路面類型中的性能。可以看出,基層強度越大,面層勁度模量在路面結構中的影響越小。

圖 1 不同類型層底拉應力

聯結層勁度對路面結構性能有較大的影響。如圖 2所示,偏差的減小與基層勁度模量的增大并存,但對某一固定基層類型,仍變化較大(15%～25%)。計算結果中可以看出,聯結層材料質量和物理參數的改善對路面結構的服務年限產生顯著的影響。應力明顯減小,同時更小的應力可提供更長的服務年限。

圖 2 層底拉應力與勁度模量關系

表 4 不同面層勁度對應層底應力偏差比例

不同材料的路基模量對路面結構性能的影響如圖 3所示。最小路基模量為 E2=40MN/m2,在計算中以 E2=10MN/m2為階梯控制增長到 E2=80MN/m2,更高承載能力的路基是否顯著降低路面結構中應力的增長。基于已有結果,變化范圍在大概 8%～10%,對于混凝土基層來說大約 6%。聯結層與基層間的摩擦力可增大層底應力,減少路面結構壽命。圖 4顯示了對瀝青層間摩擦力的分析。通過摩擦力的增大,瀝青層底拉應力急劇增長。完全摩擦和完全光滑兩種情況的差別甚至是雙倍的,可用四次冪方程式拋物線顯示出其良好的相關性。圖 4中可以明顯看出,混凝土上瀝青層底拉應力值甚至在完全光滑狀態也保持不變,或者應力絕對值很小。然而,對于軟弱混凝土基層,因為要防止混凝土基層疲勞破壞,瀝青層疲勞破壞設計不按各自設計指標進行設計。

圖 3 不同類型瀝青層底應力變化幅度

圖 4 不同光滑程度對應層底應力

7 結 論

面層在瀝青層間光滑程度 75%及更高時顯示出更大的應力。各層其他參數對面層層底應力影響不大。因此,瀝青層間摩擦力非常重要,應對此采取相應技術措施。

面層下部較上部應力大。改變路基勁度模量或面層勁度模量對層底應力作用不大。然而,改變聯結層勁度模量或層間摩擦力效果明顯。因此,聯結層高勁度模量在路面結構中是必要的,面層勁度模量在路面設計中并不重要。

[1]Design of Road Pavement Structures and Overlay Design with Asphalt Surfacings,Hungarian Road Society–MAT,2005.T2-1.202:2005.

[2]胡曉東.瀝青路面混合料中集料的技術參數分析及研究[J].中南公路工程,2005,(1).

[3]王秉綱,鄧學鈞.路面力學數值計算方法[M].北京:人民交通出版社,1992.