大粒徑瀝青碎石基層瀝青路面力學分析

陳勇鴻，張 巍，呂 鑫

(湖南省婁新高速公路建設開發有限公司，湖南婁底 417000)

隨著公路施工技術水平發展和舊路改造范圍的擴大，大粒徑瀝青穩定碎石基層成為人們的研究熱點。大粒徑瀝青混合料基層作為一類柔性結構層，具有很強的柔性和變形能力，作為應力消散層，大大延緩了路面反射裂縫的發生;另一方面，大粒徑瀝青混合料基層可以與瀝青混凝土面層粘結牢固，并由于其模量與面層接近，路面結構變為更均勻［1］，并且有維修費用低、路面材料能夠全部被重復利用和使用壽命被延長等優點［2］。

本文應用Bisar力學分析軟件對設計的大粒徑瀝青穩定碎石基層路面結構形式進行計算，分析材料參數對路面結構的影響。

1 Bisar程序介紹

Bisar程序由位于荷蘭阿姆斯特丹(Amsterdam)的殼牌研究工作組(Shell)于1967年開發，它是基于多層彈性層狀體系理論專為道路設計而編制的程序，理論依據為Shell設計法，屬于力學－經驗法，是國際上公認的比較完善的路面設計方法，其基本假定是:

1)把路面結構當作一種多層線性彈性體系，其中材料用楊氏彈性模量和泊松比表征。對于一般的設計方法均采用三層彈性體系。

2)材料假定為均質的和各向同性的，路面各層在水平方向為無限大。

3)荷載:一個圓面或幾個圓面上作用著均布的垂直和(或)水平荷載(對于一般的設計方法采用一種標準的雙輪荷載)。

4)層間采用完全連續。

在路面力學方面，該法以層狀彈性體系理論為基礎，但考慮了材料的非線性和粘彈性特性，在研究過程中曾以非線性體系理論和粘彈性體系理論來進行分析、對比，對理論在路面設計中的應用又做了大量驗證工作。因此，該法在理論上是比較完善的［3］。

2 大粒徑瀝青穩定碎石力學分析

計算參數的選取:對半剛性基層瀝青路面基面層間剪應力的變化規律加以分析。在標準荷載條件下，水平荷載，半徑，垂直荷載，基層模量，面層模量和面層厚度的參數見表1。研究基層、面層的模量、厚度對基面層間剪應力的影響規律。

表1 計算參數

2.1 基層和面層模量對基面層間剪應力的影響

當分析面層模量的影響時，基層模量取1 800 MPa;當分析基層模量的影響時，面層模量取1 200 MPa;基層厚度取20 cm，面層厚度分別取8 cm和10 cm。

1)基層模量E=1 800 MPa時，不同面層模量時的基層層間剪應力如表2。

2)面層模量E=1 200 MPa時，不同基層模量時的基層層間剪應力如表3。

表2 不同面層模量時的基層層間剪應力 MPa

表3 不同基層模量時的基層層間剪應力

為了直觀將表1、表2的數據函數擬合得到圖1、圖2。從圖1、圖2可看到，基面層間剪應力隨著

圖1 基面層間剪應力隨面層模量變化規律

圖2 最大層間剪應力隨基層模量變化規律

面層模量的增大而減小，隨著基層模量的增大而增大，基層層模量的變化對面間剪應力的影響大于基層模量的影響，總體上基層和面層模量的變化對基面層間剪應力的影響較小，當面層模量 E1由1 100 MPa增加到1 800 MPa時，基面層間剪應力僅減小2% ～3%;當基層模量E2由1 500 MPa增加到2 500 MPa時，基面層間剪應力增加6% ～7%。面層模量、基層模量與基面層間剪應力之間呈線形關系，回歸方程見表4。

表4 基面層間剪應力與面層模量、基層模量之間的回歸關系

2.2 基層和面層厚度對基面層間剪應力的影響

1)基層厚度為20 cm時，面層厚度對層間剪應力的影響見表5，并將其相互關系繪于圖3。

從圖3中可以看出基層層間剪應力隨著面層厚度的增加而減小，而且減小的趨勢很顯著。當面層厚度從5 cm增大到15 cm時，層間剪應力從0.379 MPa 小到0.1847 MPa，減小51.33% 。變化幅度為:面層厚度每增加1 cm，層間剪應力平均減小5.1%，變化幅度相當大。基本成線性關系:

表5 不同面層厚度時的基層層間剪應力

圖3 基面層間剪應力隨面層厚度變化規律

y= －0.019 4x+0.462 6

因此，增加面層厚度可大大減小層間剪應力，有效地防止基面層間的滑移。

2)面層厚度為8 cm時，基層厚度對層間剪應力的影響見表6，并將其相互關系繪于圖4。

表6 不同基層厚度時的基層層間剪應力

圖4 基面層間剪應力隨基層厚度變化規律

由圖4可見:基面層間剪應力隨著基層厚度的增大而減小，但是變化幅度較小，當基層厚度由15 cm增加到25 cm時，基面層間剪應力減小約10%，可見基層厚度對層間剪應力的影響較小。基面層間剪應力與基層厚度近似成如下關系:

3 結論

本文利用Bisar程序對大粒徑瀝青穩定碎石基層彈性模量和基層厚度對路面結構的影響進行了分析，研究了不同路面結構參數變化時對路面結構力學響應規律，從這些分析結果得到以下結論:

1)基面層間剪應力與面層、基層模量和面層、基層厚度具有良好的線形關系。

2)基面層間剪應力隨著面層模量的增大而減小，隨著基層模量的增大而增大，基層層模量的變化對面間剪應力的影響大于基層模量的影響。

3)模量對基面層間剪應力的影響不大。

4)面層厚度對基面層間剪應力的影響較大，而基層厚度對基面層間剪應力的影響較小，因此，增加面層厚度可以有效防止大粒徑瀝青穩定碎石基層路面基層與面層之間的剪切破壞。

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