大粒徑瀝青碎石下面層路面結構力學分析

童申家，惠陣江

(西安建筑科技大學土木工程學院)

近年來，隨著外在的軸載增加以及環境和交通渠化等因素的影響，瀝青路面早期出現嚴重的車轍損壞和反射裂縫的問題。研究發現大粒徑瀝青碎石具有較高的抗剪強度、抗彎拉強度，能夠有效提高抗車轍能力和防止反射裂縫。目前對于下面層采用大粒徑瀝青混合料的研究較少，針對不同下面層路面結構力學特性的對比分析，推薦力學性能較優的大粒徑碎石下面層。

1 計算結構及參數確定

根據常用的結構形式，把路面結構簡化為七層體系如圖1所示。

圖1 計算所用路面結構

路面結構基本參數荷載形式為雙圓荷載，x軸—行車方向，y軸—橫斷面方向，z軸—路面結構深度方向。本次計算選取輪系中心作為計算點位。荷載采用雙圓均布垂直荷載，標準軸載BZZ-100，輪載P=25kN，輪壓p=0.7MPa，半徑d=0.1065m，層間接觸狀態為完全連續。

2 僅有荷載作用下AC-25和ATB-30力學計算分析

為了進一步說明大粒徑瀝青碎石作為下面層的優越性，假定僅考慮荷載作用，從面層到土基的溫度與路表溫度相同，分析比較AC-25和ATB-30作為下面層的路面結構的力學性質。

瀝青混合料設計參數采用規范20℃下的抗壓回彈模量值，ATB-25和ATB-30采用試驗值，如表1所示。路表彎沉和各層層底拉(壓)應力、路表及各層剪應力值如表2。

表1 瀝青混合料設計參數

為討論方便，簡稱ATB-30作為下面層的路面結構為I型路面結構，AC-25做下面層的路面結構為II型路面結構。

(1)兩種路面結構的上面層、基層和底基層的層底應力值比較接近。中面層處為壓應力，II型路面結構的層底應力大于I型路面結構的;下面層處I型路面結構的應力大于II型路面結構的。II型路面結構的路表彎沉略大于I型路面結構。

當設計的控制指標為下面層層底應力和基層、底基層層底應力時，以上分析可知ATB-30作為下面層的路面結構具有力學特性的優勢。

(2)II型路面結構的路表面、上面層和中面層的剪應力要大于I型路面結構的;下面層的剪應力，I型路面結構大于II型路面結構，但是I型路面結構中ATB-30作為下面層時其材料的抗剪強度比AC-25增大很多，所以ATB-30比AC-25能承受更大的剪應力;基層和底基層的剪應力比較接近。

目前我國高速公路半剛性基層瀝青路面出現的車轍基本上都屬于失穩型車轍。對于失穩型車轍，最重要的影響因素是在高溫條件下由荷載引起的瀝青面層內部的剪應力。從剪應力的計算結果發現，采用ATB-30作為下面層時其他結構層的剪應力會相對減小，下面層本身從材料的抗剪強度上也有增加。由此可知，采用ATB-30作為下面層時路面結構的抗車轍能力優于AC-25作為下面層的路面結構。

3 ATB-25和ATB-30在荷載和溫度耦合下路面結構力學分析

大粒徑瀝青碎石ATB-25和ATB-30作下面層的路面結構均具有良好的路用性能，在溫度和荷載耦合作用下，通過分析比較兩種路面結構的力學特性，推薦大粒徑碎石下面層。

3.1 溫度場的計算

計算時路表溫度取-40℃，-30℃，-20℃，-10℃，0℃，10℃，15℃，20℃;表面溫度對其下各結構層的影響隨著深度越大影響越小，當路面深度達到40cm時溫度梯度的變化趨于穩定，假定40cm以下為0℃，設為基準溫度。當路表面溫度為0℃時，因為路面體內的基準溫度為0℃，所以假設沒有溫度梯度，整個路面為0℃。其他不同路表溫度按照溫度梯度呈線性變化的原則計算路面結構體內沿厚度方向的溫度場分布。按照以上原則計算出不同路表溫度下路面結構內溫度分布如表3所示。

表3 路面各結構層的平均溫度

3.2 不同溫度時路面材料回彈模量值

根據表1標準溫度20℃下的抗壓回彈模量，就可以推算其他溫度的相應模量值，溫度與反算模量之間的關系如公式(1)

其中:θ為溫度值;Epθ為溫度為θ時的抗壓模量值;Ep20為溫度為標準溫度(20℃)的抗壓模量值。

不同溫度下的回彈模量計算結果見表4。

表4 路面各結構層在不同溫度下回彈模量

3.3 力學計算結果

采用Bisar3.0對路面結構進行力學計算，分別計算ATB-25和ATB-30作為下面層的路面結構的應力和變形值。泊松比采用表1，溫度場分布如表3，材料的回彈模量如表4。

為討論方便，簡稱ATB-30作為下面層的路面結構為I型路面結構，ATB-25做下面層的路面結構為II型路面結構。ATB-30和ATB-25作為下面層時對中面層和下面層層底的應力影響較大，對上面層、基層、底基層的應力和路表面彎沉影響較小;在中面層處以壓應力為主，I型路面結構壓應力大于II型路面結構;在下面層處以拉應力為主，II型路面結構的壓應力和拉應力均大于I型路面結構。I型路面結構的路表面彎沉值均略小于II型路面結構。

表5 下面層ATB-30時路面結構層的路表彎沉和層底應力

表6 下面層ATB-25時路面結構層的應力和路表彎沉

4 結語

大粒徑瀝青碎石ATB-30作為下面層的路面結構具有力學特性的優勢，抗車轍能力等路用性能優于普通瀝青混合料AC-25作為下面層的路面結構。

以各層層底的拉應力作為設計控制指標，通過對兩種大粒徑瀝青碎石ATB-25和ATB-30作為下面層的路面結構力學特性的分析比較可知，ATB-30作為下面層的路面結構力學性能較優。

綜合以上分析結果，結合路用性能的綜合評比，推薦大粒徑碎石下面層選用ATB-30。

[1] 王富玉.大粒徑瀝青混合料的路用性能研究[J].公路，2003，(2).

[2] 鄧學鈞，黃曉明.路面設計原理與方法[M].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 孟巖.瀝青混合料抗壓模量溫度修正系數研究[J].同濟大學學報(自然科學版)，2008，2(2):182-186.

[4]N.Paul Khosla and Glen A.MalPass.Use of Large Stone Asphaltic Concrete Overlays of Flexible Pavements.Researeh Project No.23241-94-7

[5] 雷琳.大粒徑瀝青碎石下面層瀝青路面路用性能和力學性能研究[J].西安建筑科技大學，2011.