面層模量對重載交通瀝青路面受力特性及使用壽命的影響分析

王曉華

（天津市市政工程設計研究院,天津市 300051）

0 前言

隨著國民經濟的快速發展，運輸車輛中大型貨運車輛的比重不斷增加，且車輛超載現象十分普遍，超載已成為造成瀝青路面破損的最重要原因之一。車輛的超載運輸使得不少道路路面使用初期即發生嚴重破壞，其中車轍是瀝青混凝土路面的主要損害現象之一。

瀝青混合料自身的塑性變形是路面車轍產生的主要原因，提高瀝青混合料模量，可以有效增強整個路面結構抵抗車轍變形和抗疲勞的能力，進而應對重載交通問題。為了明確面層模量對重載交通瀝青路面受力特性與使用壽命的影響，本文應用SHELL設計方法的BISAR3程序，系統分析面層模量變化對重載交通瀝青路面路表彎沉值、基層及底基層層底拉應力以及路面結構疲勞壽命的影響，對于合理選擇瀝青路面的面層模量，減少超載、重載對瀝青路面造成的早期破壞具有一定價值。

1 計算參數與路面結構

我國《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)規定的荷載作用形式為單軸雙輪、雙圓荷載模式。標準軸載采用BZZ-100，軸重超限時考慮雙圓中心距離3δ保持不變，接觸壓力和接觸面積可變。通過調查得到軸載與輪胎接地面積關系如式（1）：

式（1）中：A——輪胎接地面積，cm2；

P——每一輪胎的荷載，N。

假定輪載P均勻分布在接觸面的圓型面積上，當量圓半徑和輪壓的具體數值見表1。

表1 軸重與輪壓、輪胎接地面積

本文計算采用的路面結構及計算參數如表2所示。

表2 采用的路面結構形式

2 面層模量對瀝青路面受力特性的影響分析

2.1 面層模量對路表彎沉的影響

路表彎沉值是由路面各結構層各自變形的綜合結果，反映了路基路面結構的整體強弱狀況。計算出不同面層模量情況下，各軸載作用下瀝青路面的路表彎沉值，如圖1所示。

從圖1中可以看出，面層模量對路表彎沉具有顯著的影響，路表彎沉隨面層模量的增大而減小，并且隨著軸重的增加，面層模量對路表彎沉的影響更為明顯。當面層模量從1 000 MPa增加到1 800 MPa，100 kN作用下彎沉值減小了 2.38（0.01 mm），而180 kN作用下彎沉減小了4.08（0.01 mm）。

圖1 不同路面面層模量時的路標彎沉

2.2 面層模量對瀝青面層受力影響

分別計算100～180 kN荷載作用下，面層模量改變對面層層底拉應力的影響結果如圖2所示。圖中拉應力值均為負值，表明在車輛荷載作用下，面層結構承受壓應力，且隨面層模量增加，面層受壓作用減小。

圖2 不同路面面層模量時的瀝青面層層底拉應力

2.3 面層模量對基層層底拉應力影響

圖3為不同軸重作用下土基模量與基層層底拉應力關系圖。圖中可以看出相同軸載作用下，基層層底拉應力大小隨土基模量增加而減小，趨勢接近線性,且隨軸重增加。土基模量改變對基層層底拉應力影響相差不大：100 kN時，拉應力減少0.011 95 MPa，170 kN時，減少 0.020 2 MPa，僅增加0.008 25 MPa。整體上看，土基模量改變對基層層底拉應力影響并不大。

2.4 面層模量對底基層層底拉應力影響

不同軸重作用下，土基模量改變對底基層層底拉應力的影響如圖4所示。可以看出，土基模量對底基層層底拉應力的影響趨勢與基層基本相同，而土基模量改變對底基層層底拉應力的影響程度較基層更大。以170 kN為例，土基模量從40 MPa增加到70 MPa，基層層底拉應力減小了0.020 2 MPa，而底基層層底拉應力減少了0.022 51 MPa。

圖3 不同路面面層模量時的基層層底拉應力

圖4 不同路面面層模量時的底基層層底拉應力

3 結語

應用BISAR程序分析重載交通作用下，土基模量的改變對路面結構受力特性的影響，得出以下結論：

（1）從路表彎沉角度分析，路表彎沉隨土基模量的增加而減小，并且模量越高，減小程度越少；隨著軸重的增加，土基模量對路表彎沉的影響更為明顯。

（2）從面層層底拉應力角度分析，車輛荷載作用下，面層結構承受的壓應力隨土基模量增加而減少;隨軸重的增加，土基模量改變對面層受力的影響并不明顯。

（3）相同軸載作用下，基層層底拉應力大小隨土基模量增加而減小，趨勢接近線性;隨軸重增加，土基模量改變對基層層底拉應力影響相差不大。

（4）從底基層層底拉應力角度分析，土基模量對底基層層底拉應力的影響趨勢與基層基本相同，而且土基模量改變對底基層層底拉應力的影響程度較基層更大。

[1]JTG D50—2006,公路瀝青路面設計規范[S].

[2]天津市市政公路管理局.天津市干線公路軸載調查報告[R].天津：天津市市政公路管理局，2010.