路基回彈模量對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

蘇紅敏

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

1 路面結(jié)構(gòu)方案的選定

半剛性基層具有良好的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，可作為路面結(jié)構(gòu)的主要承載體，并且具有工程投資少、設(shè)計(jì)方法和施工工藝成熟等特點(diǎn)，是我國典型的路面結(jié)構(gòu)。結(jié)合近些年新建高速公路、一級(jí)公路半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案，采用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案各結(jié)構(gòu)層組合及參數(shù)如表1 所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

應(yīng)用單軸雙圓均布荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論對(duì)不同路基回彈模量下的路表彎沉、基層底面拉應(yīng)力、面層剪應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，以確定路基回彈模量對(duì)路面整體結(jié)構(gòu)的受力影響。標(biāo)準(zhǔn)軸承100 kN，垂直荷載p=0.707 MPa，當(dāng)量圓半徑=10.65 cm，輪間距為3，荷載作用如圖1 所示。

圖1 雙圓均布荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型

利用BISAR3.0 力學(xué)計(jì)算程序進(jìn)行分析計(jì)算，在計(jì)算中假定:y 軸為路面橫向，x 軸為車輛行駛方向，即路面縱向，z軸為路面深度方向，整個(gè)計(jì)算結(jié)果中，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。分析某一結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性時(shí)，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變。

2 路基回彈模量對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

2.1 路表彎沉的理論分析

路表彎沉值是路面各結(jié)構(gòu)層與路基變形之和，為研究路表彎沉值隨路基回彈模量的變化趨勢(shì)，土基回彈模量E0選用20、30、40、50、60、70、80、90、100 MPa 等9 種情況，路面結(jié)構(gòu)層的其他參數(shù)保持不變，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)比分析，得到路表彎沉值隨路基回彈模量的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表2和圖2 所示。

圖2 不同路基回彈模量下的彎沉計(jì)算值

路基回彈模量從20 MPa 到100 MPa 的過程中，由表2可得到以下結(jié)論:(1)路表彎沉值降低了61.49%，路基頂面彎沉值降低了67.05%，同時(shí)可以看出路基頂面彎沉占路表彎沉的78% ～92%，并且隨著路基回彈模量的增大對(duì)路表彎沉值影響減弱;(2)路基回彈模量越小對(duì)路表彎沉的影響越大，在路基回彈模量小于40 MPa 時(shí)，彎沉曲線較陡直，當(dāng)回彈模量大于40 MPa 后，彎沉曲線逐漸平緩。因此，建議新建道路的路基回彈模量以不小于40 MPa 為宜，

表2 不同路基回彈模量下的彎沉計(jì)算值0.01 mm

2.2 基層底面拉應(yīng)力的理論分析

對(duì)于半剛性基層瀝青路面，無論層間滑動(dòng)或連續(xù)，瀝青面層大多處于受壓區(qū)不能控制設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)，基層底面拉應(yīng)力可作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。因此僅對(duì)半剛性基層層底拉應(yīng)力進(jìn)行分析。

層底拉應(yīng)力是造成路面結(jié)構(gòu)層疲勞開裂的主要原因，瀝青路面在使用期間經(jīng)受交通荷載的反復(fù)作用，長(zhǎng)期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)次數(shù)超過一定次數(shù)后，半剛性基層層底拉應(yīng)力或拉應(yīng)變就會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。由室內(nèi)小梁和中梁彎拉疲勞試驗(yàn)和劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果整理得到的水泥穩(wěn)定粒料類劈裂方程為

式中:Nf是道路的使用壽命(以標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì))，σ 是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各穩(wěn)定類材料基層底面的水平拉應(yīng)力，S 是材料極限劈裂強(qiáng)度(參考《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》取0.4 MPa)。

圖3 基層底面拉應(yīng)力

圖4 基層底面拉應(yīng)力隨路基回彈模量的變化

分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1.0δ、1.5δ、2.0δ、2.5δ 處半剛性基層底面拉應(yīng)力的大小，取路基回彈模量30 MPa。計(jì)算結(jié)果見圖3 所示。

由圖3 可知，基層底面的拉應(yīng)力在雙圓荷載中心處取得最大值。以此點(diǎn)為控制點(diǎn)，通過計(jì)算進(jìn)一步討論路基回彈模量對(duì)基層底面拉應(yīng)力的影響，得到基層底面拉應(yīng)力隨路基回彈模量的變化規(guī)律，并根據(jù)公式(1)對(duì)基層疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3 所示。

表3 不同路基回彈模量下基層底面拉應(yīng)力及疲勞壽命計(jì)算值

由表3 可知，路基回彈模量從20 MPa 到100 MPa 的過程中:(1)基層底面拉應(yīng)力降低了32.12%，隨著路基回彈模量的增大而對(duì)基層層底拉應(yīng)力影響減弱。(2)疲勞壽命增加了259 倍，增加比較顯著。

2.3 路面剪應(yīng)力的理論分析

在車輪橫向力的反復(fù)作用下，瀝青路面面層會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力。采用BISAR3.0 軟件，分析剪應(yīng)力隨路基回彈模量的變化規(guī)律。在路基回彈模量30 MPa 下，分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1.0δ、1.5δ、2.0δ、2.5δ 處瀝青面層底面剪應(yīng)力的大小。取摩擦系數(shù)f=0.3，計(jì)算深度h =10 cm，計(jì)算結(jié)果見圖5 所示。

圖5 不同距離處剪應(yīng)力值

圖6 不同深度處剪應(yīng)力值

由圖5 可知，在距雙圓荷載中心15.975 cm，即單圓荷載中心處，剪應(yīng)力取得最大值。把此位置作為控制點(diǎn)，分析剪應(yīng)力隨深度變化的值(層間結(jié)合狀態(tài)完全連續(xù))，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表6 cm左右，最大剪應(yīng)力約0.23 MPa，當(dāng)深度超過10 cm 后，最大剪應(yīng)力隨深度的增加而顯著降低。當(dāng)深度15 cm 時(shí)，剪應(yīng)力已不足0.15 MPa，此時(shí)，剪應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響較小。

以距雙圓荷載中心15.975 cm 處為控制點(diǎn)，進(jìn)一步分析路基回彈模量對(duì)面層剪應(yīng)力的影響，通過計(jì)算得到路面剪應(yīng)力隨路基回彈模量的變化規(guī)律，結(jié)果見表4。

表4 不同路基回彈模量條件下面層剪應(yīng)力計(jì)算值 MPa

剪應(yīng)力是造成路面結(jié)構(gòu)波浪、擁包、推擠的主要原因，為減低路面波浪、擁包、推擠等病害，通過計(jì)算分析可以看出:路基回彈模量從20 MPa 到100 MPa 的過程中，面層剪應(yīng)力隨路基回彈模量的增大而增大，面層深度5 cm 處剪應(yīng)力增加了5.12%，深度10 cm 處剪應(yīng)力增加了5.14%，面層層底剪應(yīng)力增加了9.91%，路面剪應(yīng)力隨著路基回彈模量的增加而增加，但增加幅度比較小，由此可見，路基回彈模量對(duì)路面剪應(yīng)力的影響較小。

3 結(jié) 論

基于彈性層狀體系理論的BISAR3.0 軟件，以典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案為分析對(duì)象，研究了路基回彈模量變化對(duì)路表彎沉、基層底面拉應(yīng)力、面層剪應(yīng)力等路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制參數(shù)以及對(duì)基層疲勞壽命的影響。通過分析得出以下主要結(jié)論:

(1)路基頂面變形占路表彎沉的80% ～90%，并且隨著路基回彈模量的增大而對(duì)路表彎沉值影響減弱，在路基回彈模量小于40 MPa 時(shí)，彎沉曲線較陡直，當(dāng)回彈模量大于40 MPa后，彎沉曲線逐漸平緩。因此，建議新建道路的路基回彈模量以不小于40 MPa 為宜。

(2)路基回彈模量對(duì)基層的疲勞壽命影響顯著，延長(zhǎng)道路使用壽命應(yīng)提高路基回彈模量。

(3)路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表6 cm 左右，當(dāng)深度超過10 cm 后，最大剪應(yīng)力隨深度的增加而顯著降低，路基回彈模量的變化對(duì)路面剪應(yīng)力影響較小。

［1］中華人民共和國交通運(yùn)輸部. 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50—2006)［S］.2006.

［2］《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》編寫組.《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》釋義手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］黃曉明，趙永利，高英. 高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)理論與方法［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］沙慶林.重載交通長(zhǎng)壽命半剛性路面設(shè)計(jì)與施工［M］. 北京:人民交通出版社，2011.