層間接觸狀態(tài)對瀝青路面結(jié)構(gòu)受力的影響

蘇紅敏

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

0 引 言

我國現(xiàn)行《公路瀝青路面混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50 －2006)中路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是彈性層狀連續(xù)體系理論，該理論的一個(gè)重要假定是層間接觸狀態(tài)完全連續(xù)。但是，實(shí)際道路層間接觸狀態(tài)非常復(fù)雜，由于受到材料特性和施工工藝的限制，層間結(jié)合很難做到完全連續(xù)。這往往成為路面整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，容易導(dǎo)致路面開裂、永久變形等病害。

1 路面結(jié)構(gòu)方案的選定

半剛性基層瀝青路面具有良好的強(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)。擬采用半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合近些年新建高等級公路路面結(jié)構(gòu)方案，路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1 所示，利用BISAR 軟件對不同接觸狀態(tài)下的面層豎向應(yīng)力、面層及基層底面拉應(yīng)力、路表彎沉、面層剪應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。荷載采用單軸雙圓均布荷載，標(biāo)準(zhǔn)軸承為BZZ－100，垂直荷載p=0.707 MPa，當(dāng)量圓半徑δ=10.65 cm，輪間距為3，考慮到水平荷載的影響，取表面摩擦系數(shù)f=0.3。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)。

表1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2 層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)受力的影響

為了考慮路面結(jié)構(gòu)層層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)受力的影響，BISAR3.0 的設(shè)計(jì)者引入了剪切彈性柔量這個(gè)概念。在這個(gè)方法中，位于兩水平面層的分界面被看成是一個(gè)無限薄的內(nèi)層，它的強(qiáng)度就用彈性柔量來表示，物理上假設(shè)在這個(gè)面上的切應(yīng)力引起兩層的相對水平位移，位移的大小與作用面上的應(yīng)力大小成比例關(guān)系。簡化剪切彈性柔量即為ALK，被定義為

其中δ 為荷載半徑，單位為m;?為摩擦參數(shù)，?取值范圍為0≤?≤1(當(dāng)?=0 時(shí)摩擦力最大，當(dāng)?=1 時(shí)摩擦力為0)。

鑒于以上簡化剪切彈性柔量和摩擦參數(shù)的關(guān)系，并為了擴(kuò)大對比范圍，通過選取不等間距的簡化剪切彈性柔量參數(shù)分析層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，具體選取參數(shù)數(shù)值如表2 所示。

表2 簡化剪切彈性柔量參數(shù)變化取值表

2.1 面層豎向應(yīng)力的理論分析

采用BISAR3.0 軟件，計(jì)算距離雙圓荷載中心不同位置的瀝青面層底的豎向應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見圖1 所示。

圖1 面層底面最大豎向壓應(yīng)力的位置

圖2 面層最大豎向應(yīng)力沿深度的變化

由圖1 可以看出，在距雙圓荷載中心15.975 cm(3/2 半徑)，即單圓荷載中心處面層底豎向壓應(yīng)力取得最大值。通過選取不同的層位深度，分析深度對面層豎向應(yīng)力的影響，結(jié)果如圖2 所示。面層豎向應(yīng)力隨著深度的增加而減少，深度每增加2 cm，豎向應(yīng)力下降0.07 MPa 左右，當(dāng)深度超過20 cm 時(shí)，取值在0.22 MPa，此時(shí)豎向應(yīng)力對路面結(jié)構(gòu)的影響較小。

選取距雙圓荷載中心15.98 cm(3/2 半徑)，即單圓荷載中心處為控制點(diǎn)，通過計(jì)算進(jìn)一步討論層間結(jié)合狀態(tài)對路面豎向應(yīng)力的影響，得到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)不同計(jì)算點(diǎn)處面層與基層間豎向應(yīng)力隨層間簡化柔量ALK 的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表3 所示。

表3 不同ALK 條件下各深度計(jì)算點(diǎn)豎向應(yīng)力計(jì)算值 MPa

由表3 可知，層間結(jié)合狀態(tài)從完全連續(xù)到完全滑動的過程中，在深度4 cm 處，豎向壓應(yīng)力增加7. 49%，在深度10 cm 處，豎向壓應(yīng)力增加39.35%，在深度20 cm 處，豎向壓應(yīng)力增加了99.34%，由此可見層間結(jié)合狀態(tài)對豎向壓應(yīng)力的影響隨深度的增加呈增大趨勢，并且隨深度的增加這種增大趨勢越發(fā)明顯。

豎向壓應(yīng)力較大是造成車轍的主要原因，為降低路面車轍病害，通過計(jì)算分析可以看出，加強(qiáng)中面層和下面層及下面層與基層之間的聯(lián)接狀態(tài)是有效手段之一。

2.2 面層及基層底面拉應(yīng)力的理論分析

在層間完全連續(xù)狀態(tài)下，分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1.0δ、1.5δ、2.0δ、2.5δ 處，瀝青面層和基層底面拉應(yīng)力的大小。計(jì)算結(jié)果見圖3 所示。

由圖3 可知，在距雙圓荷載中心15.975 cm，即3/2 半徑處，面層底拉應(yīng)力取得最大值，在雙圓荷載中心處，基層底面的拉應(yīng)力取得最大值。通過計(jì)算進(jìn)一步討論層間結(jié)合狀態(tài)對面層底面和基層底面拉應(yīng)力的影響，得到路面結(jié)構(gòu)面層底面與基層底面拉應(yīng)力隨層間簡化柔量ALK 的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表4 所示。

圖3 面層/基層底面拉應(yīng)力

表4 不同ALK 條件下面層底面與基層底面拉應(yīng)力計(jì)算值 MPa

由表4 可知，層間結(jié)合狀態(tài)從完全連續(xù)到完全滑動的過程中，瀝青面層底面拉應(yīng)力增加了20.4 倍，基層底面拉應(yīng)力增加2.3 倍，由此可見層間結(jié)合狀態(tài)對面層與基層底面拉應(yīng)力影響較大。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，為降低路面疲勞開裂病害，通過計(jì)算分析可以看出，應(yīng)該加強(qiáng)層間聯(lián)接狀態(tài)，特別是面層與基層之間的聯(lián)接狀態(tài)。

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，瀝青路面會在面層底面產(chǎn)生剪應(yīng)力。采用BISAR3.0 軟件，分析剪應(yīng)力層間聯(lián)接狀態(tài)的變化規(guī)律。在層間完全連續(xù)狀態(tài)下，分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1.0δ、1.5δ、2.0δ、2.5δ 處，瀝青面層底面拉應(yīng)力的大小。計(jì)算結(jié)果見圖4 所示。

圖4 不同距離處剪應(yīng)力值

圖5 不同深度處剪應(yīng)力值

由圖4 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5 所示。

由圖5 可以看出，路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表0 ～10 cm 深度內(nèi)，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)深度超過20 cm時(shí)，剪應(yīng)力已不足0.1 MPa，此時(shí)，剪應(yīng)力對路面結(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)一步分析層間結(jié)合狀態(tài)對面層剪應(yīng)力的影響，通過計(jì)算得到路面剪應(yīng)力隨層間簡化柔量ALK 的變化規(guī)律，結(jié)果見表5。

表5 不同ALK 條件下面層剪應(yīng)力計(jì)算值 MPa

由表5 可知，層間結(jié)合狀態(tài)從完全連續(xù)到完全滑動的過程中，上面層底面剪應(yīng)力增加了2.57 倍，中面層底面剪應(yīng)力增加了2.46 倍，下面層層底剪應(yīng)力增加了3.6 倍，由此可見，層間結(jié)合狀態(tài)對層間剪應(yīng)力影響較大。

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，加強(qiáng)層間聯(lián)接狀態(tài)，特別是面層與基層之間的聯(lián)接狀態(tài)是比較有效的手段之一。

2.4 路表彎沉的理論分析

為研究路表彎沉值隨層間接觸狀態(tài)的變化趨勢，首先在層間完全接觸狀態(tài)下，利用軟件計(jì)算距雙圓荷載中心不同位置的路表彎沉值的大小，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 最大路表彎沉值的位置

由圖6 可知，在距雙圓荷載中心15.975 cm，即單圓荷載中心處，路表彎沉取得最大值。以距離荷載中心15.975 cm處為控制點(diǎn)，通過計(jì)算進(jìn)一步討論層間結(jié)合狀態(tài)對面層剪應(yīng)力的影響，得到路面剪應(yīng)力隨層間簡化柔量ALK 的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表6 所示。

表6 不同ALK 條件下路表彎沉計(jì)算值 0.01 mm

由表6 可知，層間結(jié)合狀態(tài)從完全連續(xù)到完全滑動的過程中，路表彎沉值增加了1.7 倍，因此，加強(qiáng)層間聯(lián)接對路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是比較有利。路表彎沉是各路面結(jié)構(gòu)層與路基變形之和，有關(guān)研究表明，土基變形占路表總彎沉的比例一般在80% ～90%以上，減少路面總彎沉值最有效的途徑是適當(dāng)提高路基的模量。

3 層間接觸狀態(tài)對路面壽命的影響

瀝青路面在使用期間經(jīng)受交通荷載的反復(fù)作用，長期處于應(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，面層和半剛性基層底拉應(yīng)力或拉應(yīng)變就會導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。

目前，國內(nèi)外對瀝青混合料和水泥穩(wěn)定料的疲勞特性已有大量研究。其中，英國諾丁漢大學(xué)得出的瀝青混合料疲勞方程

式中:Nf是道路的使用壽命(以標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì))，ε 是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下瀝青層底面的水平拉應(yīng)變。

王旭東等通過測試瀝青混合料小梁件彎拉疲勞，得到修正后的瀝青混合料疲勞壽命預(yù)估方程為

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)軸載作用下瀝青層底面的水平拉應(yīng)力。

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)果整理得到的各類穩(wěn)定類材料的劈裂方程為

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)軸載作用下瀝青層底面的水平拉應(yīng)力，S 是材料極限劈裂強(qiáng)度(計(jì)算S 取0.5 MPa)。

利用公式(3)和公式(5)求得不同層間接觸狀態(tài)時(shí)的半剛性基層瀝青面層和基層的疲勞壽命，結(jié)果見表7。

表7 不同ALK 條件下面層/基層的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

由表7 可知，層間結(jié)合狀態(tài)從完全連續(xù)到完全滑動的過程中，瀝青面層和半剛性基層底拉應(yīng)力大幅增加。層間接觸為光滑狀態(tài)時(shí)，瀝青面層的疲勞壽命是層間接觸為連續(xù)時(shí)的1.56 ×10－5倍，半剛性基層的疲勞壽命是層間接觸為連續(xù)時(shí)的6.24 ×10－6倍。

層間聯(lián)接狀態(tài)對路面疲勞壽命的影響顯著，延長道路使用壽命應(yīng)加強(qiáng)層間聯(lián)接。同時(shí)也可以看出對半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，瀝青層層底主要是壓應(yīng)力或很小的拉應(yīng)力，瀝青層層底拉應(yīng)力或拉應(yīng)變不起控制作用，半剛性基層的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變起主要控制作用。

4 結(jié) 論

利用基于彈性層狀體系理論的BISAR3.0 軟件，以典型高速公路半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案為分析對象，研究了層間接觸狀態(tài)對面層豎向應(yīng)力、面層及基層底面拉應(yīng)力、路面彎沉、表面剪應(yīng)力等路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化影響，并分析了層間接觸狀態(tài)對瀝青路面疲勞壽命的影響。通過分析得出以下主要結(jié)論。

(1)面層豎向應(yīng)力、路表彎沉、面層底面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力等路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距雙圓荷載中心15.98 cm(3/2 半徑)，即單圓荷載中心處;基層底面拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)雙圓荷載中心處。

(2)路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表0 ～10 cm 深度范圍內(nèi)，當(dāng)深度超過10 cm 后，最大剪應(yīng)力隨深度的增加而明顯降低，當(dāng)深度超過20 cm 時(shí)，剪應(yīng)力對路面結(jié)構(gòu)的影響較小。

(3)層間接觸從完全連續(xù)到完全滑動:①面層豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著深度的增加而提高得越大，面層剪應(yīng)力最大增加了3.6 倍;②面層層底拉應(yīng)力提高了約20 倍，基層底拉應(yīng)力提高了約2.3 倍;③路表彎沉值比層間完全連續(xù)狀態(tài)時(shí)提高約1.7 倍。

(4)層間接觸狀態(tài)對面層和基層的疲勞壽命影響顯著，延長道路使用壽命應(yīng)加強(qiáng)層間聯(lián)接。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青層層底主要是壓應(yīng)力或很小的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力或拉應(yīng)變不起控制作用，半剛性基層的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變起主要控制作用。

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