基于抗裂的瀝青路面合理結構研究

柴彩萍

(陜西交通職業技術學院,陜西西安 710018)

基于抗裂的瀝青路面合理結構研究

柴彩萍

(陜西交通職業技術學院,陜西西安 710018)

利用專門的道路設計程序,對半剛性基層瀝青路面進行結構力學計算。通過瀝青路面內的應力大小和分布分析,得到層底拉應力隨結構力學參數(各材料層厚度、模量及結構形式)變化規律,據此提出避免瀝青面層疲勞開裂和半剛性基層反射裂縫的瀝青路面合理結構,并指出基于抗裂的瀝青路面材料組合設計方向。研究結果對半剛性基層瀝青路面結構組合設計具有理論參考價值。

瀝青路面開裂;結構力學分析;結構組合;材料組成設計

疲勞開裂作為瀝青路面一種主要破壞形式,不僅會影響路面整體性和行車舒適性,還會因水分侵入導致整個路面結構過早破壞,降低路面服務質量,縮短其使用壽命。半剛性基層瀝青路面的疲勞開裂:一方面是由瀝青材料層內的拉應力或拉應變的重復作用所致;另一方面是由半剛性基層疲勞裂縫反射到瀝青面層所致。路面結構內的應力是由行車荷載和自然因素共同作用下產生的,在一定的環境和交通條件下,路面內應力應變狀態是相對的,大小取決于:①材料力學性質(回彈模量、泊松比);②各層結構厚度;③結構形式(材料層次相對位置、各層剛度的相對性等)[1]。所以借助專用程序計算路面結構內應力應變狀態,進行路面結構組合設計,合理選擇和安排瀝青路面結構層次,使整個路面結構在設計使用年限里既能承受行車荷載和自然因素的共同作用,又能發揮各結構層的最大效能,并進一步指導路面結構各層材料設計,對實現既經濟又實用路面結構具有重大意義。

1 路面結構內應力應變分析

1.1 計算理論和結構參數的選取

瀝青路面的力學計算理論和相應的計算機程序的發展為分析路面應力應變狀態提供了手段。進行應力應變分析時,把路面結構層簡化為四層體系[2],主要考慮主承力結構層:瀝青材料層、基層、底基層和路基,用基于多層彈性層狀體系理論專為道路設計而編制的Bisar程序計算分析標準荷載作用下路面結構內的應力應變大小,分布規律及影響因素。標準荷載為雙圓均布荷載,荷載圓半徑 δ=10.65 cm,雙圓中心距d=3 δ,垂直荷載p=0.7MPa,水平荷載亦認為在雙圓內均布作用,其方向平行于車輪行駛方向。結構計算如圖1所示。

圖1 結構力學計算圖式

本文所依托的是國道310線(鄭州～上街)二級公路改建工程,結合當地氣候、實際經濟情況、材料來源和使用情況,并參照《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)規定,對于二級公路:面層厚度建議值7 cm～12 cm;高速、一二級公路土基模量不小于30 MPa;基層、底基層一次攤鋪碾壓厚度18 cm～20 cm。常溫條件下路面各結構層參數選取如表1所示[3]。另外,在具體進行路面結構力學計算時,為了說明問題的需要將適當調整面層和基層的模量值和厚度。

表1 路面結構參數

1.2 拉應力計算和結果分析

在考慮水平荷載(f=0.2)和垂直荷載共同作用下,輪隙中心處應力沿深度分布曲線,如圖2所示。拉應力隨著深度的增加先增大后減小,峰值出現在路表下35 cm處。

圖2 拉應力沿深度分布

1.2.1 面層底拉應力分析

當路基模量大于30 MPa且基層厚度大于200 mm時,影響瀝青材料層內應力應變狀態的因素主要是瀝青材料層的厚度和瀝青面層與半剛性基層的模量比。

(1)基、面層模量比對面層底拉應力的影響

保持各結構層厚度及土基模量不變,計算不同基、面層模量比E2/E1時車輛荷載在面層底產生的拉應力值 σ1,并繪制E2/E1～σ1曲線如圖3所示。

圖3 瀝青面層底拉應力隨基、面層模量比的變化曲線

從圖3可以看出,隨著基、面層模量比的增大,面層底拉應力逐漸減小,尤其是在E2/E1較小時減小的趨勢更為明顯,故當基層模量較小時,稍微增大基層模量就可顯著降低面層底拉應力;且當E2/E1≥0.45時,瀝青材料層就完全處于受壓狀態。

(2)面層厚度對面層底拉應力的影響

保持各結構層其它參數不變,計算瀝青面層厚h1取不同值時車輛荷載作用下面層底拉應力 σ1值,并繪制h1～σ1曲線如圖4所示。

圖4 瀝青面層底拉應力隨面層厚度的變化曲線

在圖4所示面層厚度范圍內,面層底始終處于受壓狀態,且隨著面層厚度的增大,面層底拉應力先減小后增大,最小值出現在9 cm前后,說明面層厚度為9 cm左右時,面層底拉應力最小,減小或增大面層厚度都會增大面層底開裂的可能性。

總之,通常情況下,半剛性基層瀝青路面,基、面層模量比E2/E1≥0.45的條件很容易實現,在規范規定的二級路瀝青面層7 cm～12 cm厚度范圍內,瀝青材料層完全處于三向受壓縮狀態,可以避免荷載疲勞裂縫的發生。

1.2.2 基層底拉應力分析

(1)基層底拉應力影響因素研究

計算不同結構層厚度及不同結構層模量時基層底的拉應力值,并繪制基層底拉應力 σ2隨面層模量E1、基層和面層模量比、底基層和基層的模量比E3/E2及面層厚度h1變化曲線如圖5～圖8所示。

圖5 基層底拉應力隨底基層、基層模量比變化曲線

圖6 基層底拉應力隨面層厚度變化曲線

圖7 基層底拉應力隨面層模量變化曲線

圖8 基層底拉應力隨基、面層模量比變化曲線

從圖5～圖8可以看到:①基層底的拉應力 σ2隨著面層模量E1減小略有增加;②基層底的拉應力σ2隨著基層和面層的模量比E2/E1增加稍有增加;③基層底的拉應力 σ2隨著底基層和基層的模量比E3/E2增加顯著減小;④隨著面層厚度h1增加,基層底的拉應力σ2有所減小;⑤從拉應力沿深度分布圖2可以看出,在路表下約30 cm深度處,應力曲線變得比較平緩,所以,當基層厚度大于20 cm后,增加其厚度對基層底拉應力并不會產生太大影響。總之,標準荷載作用下,影響基層底拉應力大小的主要是底基層和基層的模量比,其次是面層的厚度。

2 避免反射疲勞裂縫的瀝青面層厚度研究

適當厚度的瀝青面層對半剛性基層可以起到保溫、防止水分過快散失的作用,大大降低基層溫、干縮率,同時減小車輛荷載下的拉應力,有利于減小半剛性基層的開裂,延遲、減輕甚至避免反射裂縫的產生[4]。

2.1 基層底拉應力計算

2.1.1 基層底荷載應力計算

為安全起見,并考慮到溫度的影響,選取可能出現的最不利情況來進行基層底拉應力分析。結構參數選取如下:E1=1 000MPa;E2=1 600MPa、h2=20 cm;E3=400 MPa、h3=30 cm;E4=45 MPa。分別計算不同面層厚度h1=7 cm、9 cm、12 cm時基層底的拉應力,計算結果表明,在規范規定的面層厚度范圍內,最不利季節時 σp的值域為0.175 MPa～0.205 MPa。

2.1.2 基層溫度應力估算

路面結構內的溫度應力與結構層力學參數、路面材料的熱力學性能以及結構層內降溫幅度密切相關[5]。溫度應力按下式計算:

式中:E為材料層的回彈模量(MPa);α為溫度收縮系數;ΔT為降溫幅度(℃)。

鄭州位于河南省的中東部,屬豫東地區,夏炎熱冬冷濕潤,其氣候屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤的大陸性季風氣候,低溫季節氣溫日波動量一般不超過15℃,經瀝青面層對溫度的衰減作用,基層頂面的溫度日波動量約為8℃左右[6]。

考慮鄭州當地的材料來源、施工水平和參考規范建議值并進行不利季節適當折減來選擇半剛性基層材料參數:抗壓模量取與基層底荷載應力計算時相同的值即E2=1 600 MPa;劈裂強度取為σsp=0.6 MPa(規范0.4 MPa～0.8 MPa)。隨著溫度的變化,基層材料溫縮系數 α在 6.0×10-6/℃～12.0×10-6/℃之間變化。

選取相應參數代入溫度應力公式,計算得基層溫度附加應力 σT在0.077 MPa～0.154 MPa之間。則在車輛荷載和溫度變化共同作用下基層底產生的總應力大小為0.25 MPa～0.35 MPa。

2.1.3 基層容許拉應力計算

容許拉應力按下式計算:

式中:σsp為半剛性材料層的劈裂強度(MPa);Ks為抗拉強度結構系數。

對于無機結合料穩定集料類,Ks按下式計算:

式中:Ne為設計年限內一個車道累計當量軸次,對于中等交通Ne=400～900萬次/車道;Ac為按公路等級確定的保證率系數,二級公路取1.1。

計算得Ks值在0.62～0.67之間。

結合鄭州地區交通和材料實際應用情況,選取適當參數值并將其代入容許拉應力σr計算公式,得基層底容許拉應力 σr值在0.25 MPa～0.54 MPa之間。

2.2 防止基層疲勞開裂的瀝青面層厚度分析

為保證基層底不發生疲勞開裂,必須使得基層總拉應力σ總和基層底容許拉應力σr之間滿足關系式:σ總≤σr。基層底總拉應力 σ總等于基層底荷載應力σp和溫度應力σT之和,根據前面計算結果,在最不利季節其值域范圍為0.25 MPa～0.35 MPa;基層容許拉應力 σr,對于二級路,其值在 0.25 MPa～0.54 MPa之間變化,對比得出基本上可以滿足 σ總≤σr條件。也就是說,規范規定的二級公路瀝青面層7 cm～12 cm厚度范圍基本上可以起到消荷、隔溫作用,避免不利季節半剛性基層疲勞開裂,防止瀝青面層反射裂縫的發生[7]。但安全起見,建議路面設計時以合理的路面材料組成作保證,如選擇收縮系數較小的半剛性基層材料和隔溫性能較好的面層材料,如用其它無機結合料穩定類材料代替水泥穩定類材料,或采用較小水泥劑量;適當增加底基層、基層的模量比以降低基層底的彎拉應力等,從而避免因半剛性基層開裂而反射到瀝青面層現象發生,防止其過早開裂,延長路面使用壽命。

3 結 語

本文通過專用程序,分析了行車荷載和自然因素共同作用下半剛性基層瀝青路面結構內應力狀況和影響因素,提出了避免開裂的瀝青路面合理結構,并指出各結構層材料組合設計的方向。

本文的研究,對半剛性基層瀝青路面結構組合設計具有理論參考價值,對瀝青路面材料抗裂組合設計具有理論指導作用,在分析解決半剛性基層瀝青路面疲勞開裂問題方面具有重要的現實意義。

[1]陳立軍,等著.瀝青路面結構行為理論[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]鄭健龍,周志剛,張起森.瀝青路面抗裂設計理論與方法[M].北京:人民交通出版社,2002:41-45.

[3]柳志軍.河南省路基路面設計參數研究[D].西安:長安大學,2003.

[4]梁子偉.高速公路瀝青路面疲勞開裂的預測方法及影響因素分析[J].交通標準化,2011,3(4):144-146.

[5]吳贛昌.層狀路面結構溫度應力分析[J].中國公路學報,1993,4(4):1-8.

[6]范植昱,徐柏才.降溫過程對瀝青路面Top-Down開裂的影響[J].中外公路,2011,31(4):40-43.

[7]鄧洪亮,廖 丹,王正念.半剛性基層瀝青路面溫度型反射裂縫的擴展機理分析[J].水利與建筑工程學報,2009,7(4):4-6.

Study on Structural Design of Anti-cracking Asphalt Pavement

CHAI Cai-ping
(Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

In this paper,a special road design program is used to analyze the stress value and distribution of the semirigid asphalt pavement under normal tire pressure.Based on calculating analysis,some conclusions are obtained,such as the change law of the stress in layer bottom caused by the altering of construction mechanics parameters,the rational asphalt pavement construction based on the change law which could avoid the fatigue cracking and reflection cracking and the design direction of anti-cracking asphalt pavement's material composition.The research resultswould have theoretical reference value for the structural design of semi-rigid asphalt pavement.

asphalt pavement cracking;structural mechanics analysis;structure combination;material composition design

U416.217

A

1672—1144(2012)05—0151—04

2012-03-26

2012-04-28

柴彩萍(1977—),女(漢族),山西永濟人,碩士研究生,講師,主要從事公路材料與結構檢測的教學與科研工作。