級配碎石基層瀝青路面非線性力學響應分析

宋志峰，劉海鵬，蔣應軍

(1.陜西省交通建設集團，陜西西安 710075；2.長安大學教育部特殊地區公路工程重點實驗室，陜西西安 710064）

0 引言

級配碎石柔性基層作為一種古典的路面結構，國外已廣泛應用于路面基層與底基層，國內則較少應用，除了受“強基薄面”思想的影響外，更重要的是對級配碎石柔性基層力學性狀及工程性質認識的不足。為了滿足新形勢下的交通發展需求，豐富我國公路路面結構的形式，深入研究并揭示級配碎石物理力學特性具有的工程實際意義。

級配碎石屬顆粒性材料，具有明顯的顆粒性結構特征和非線性力學特性，其物理力學特性復雜。目前，相關研究主要集中在級配碎石材料的力學特性和穩定性、級配組成設計方法及試驗路觀測等方面，而涉及級配碎石柔性基層瀝青路面非線性力學響應的研究相對較少。鑒于此，筆者就瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量3個路面結構參數，對級配碎石柔性基層瀝青路面進行非線性力學響應分析，旨在明確級配碎石柔性基層瀝青路面結構層位功能，為結構與材料設計優化奠定理論基礎。

1 基本理論

級配碎石基層瀝青路面力學模型為層狀體系理論：假定各層都是由均質、各向同性的彈性材料組成；土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，其上的各層厚度均為有限，但在水平方向為無限；上層表面作用著軸對稱圓形均布垂直荷載；層間接觸面假定為完全連續[2]。考慮到級配碎石為非線性材料，材料模量隨著應力而變化，即碎石層的各點隨著結構深度的不同模量也不同，本文采用非線性路面力學分析軟件——KENPAVE，探討級配碎石柔性基層瀝青路面力學響應。為了描述級配碎石層的非線性特征，首先假設其彈性模量，并用層狀理論求得應力，根據非線性模型，確定新的模量值，并計算新的一組應力，重復這個過程，直至兩次相鄰迭代的模量接近于某個規定的精度為止[3]。

2 計算模型與計算參數

以雙輪組單軸載100kN、150kN、200kN為計算軸載，簡化為雙圓均布荷載的輪載半徑分別為10.65cm、12cm、13.26cm，接地壓力分別為0.7MPa、0.829MPa、0.906MPa。計算簡圖見圖1，各結構層材料參數見表1。

圖1 計算模型

表1 瀝青路面結構

3 路面非線性力學響應計算結果與分析

3.1 瀝青面層最大剪應力

瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量對瀝青面層最大剪應力的影響規律見圖2～圖4。

圖2 瀝青面層厚度對瀝青面層最大剪應力的影響

圖3 級配碎石基層厚度對瀝青面層最大剪應力的影響

圖4 級配碎石基層模量對瀝青面層最大剪應力的影響

由圖2～圖4可以看出，瀝青面層厚度為9cm時，面層最大剪應力水平最高；級配碎石基層厚度為30cm時，面層最大剪應力水平最低；面層最大剪應力隨級配碎石基層模量的增大而降低，級配碎石模量由300MPa增至600MPa，即提高2倍，瀝青面層最大剪應力減小170～200kPa，約降低38%以上。

綜上可知，面層厚度9cm為瀝青面層剪應力最不利厚度；基層厚度30cm為瀝青面層剪應力最佳厚度；增加基層模量可降低瀝青面層剪應力，以防止瀝青面層車轍破壞。

3.2 瀝青面層層底應力

瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量對瀝青面層層底應力的影響規律見圖5～圖7。其中，瀝青面層層底應力正值為壓，負值為拉。

圖5 瀝青面層厚度對瀝青面層層底應力的影響

圖6 級配碎石基層厚度對瀝青面層層底應力的影響

圖7 級配碎石基層模量對瀝青面層層底應力的影響

由圖5～圖7可以看出，面層厚度為12cm時，瀝青面層層底拉應力水平最高；級配碎石基層厚度為30cm時，瀝青面層層底拉應力水平最低；瀝青面層層底拉應力隨級配碎石基層模量的增大而降低，且逐漸由受拉狀態向受壓狀態轉化，級配碎石模量由300MPa增至600MPa，即提高2倍，瀝青面層層底拉應力減小450~500kPa。

綜上可知，面層厚度12cm為瀝青面層層底拉應力最不利厚度；基層厚度30cm為瀝青面層層底拉應力最佳厚度；增加基層模量可降低瀝青面層剪應力，以防止瀝青面層疲勞破壞。

3.3 級配碎石基層最大剪應力

瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量對級配碎石基層最大剪應力的影響規律見圖8～圖10。

圖8 瀝青面層厚度對級配碎石基層最大剪應力的影響

圖9 級配碎石基層厚度對級配碎石基層最大剪應力的影響

圖10 級配碎石基層模量對級配碎石基層最大剪應力的影響

由圖8～圖10可以看出，級配碎石基層最大剪應力隨瀝青面層厚度的增大而降低，面層厚度由5cm增至15cm，即提高3倍，剪應力減少100~150kPa，即降低40%以上；基層剪應力隨其厚度的增大而增大，基層厚度由20cm增至60cm，即提高3倍，剪應力增加5~10kPa，提高不足3%；隨著級配碎石模量的增大，級配碎石基層最大剪應力相差10~20kPa，即相差不超過7%，說明級配碎石基層厚度和模量對其剪應力影響不顯著。

綜上可知，增加面層厚度、減小基層厚度和增加基層模量可降低基層剪應力，以防止級配碎石基層剪切破壞。

4 結論

（1）瀝青面層厚度增大，級配碎石基層最大剪應力降低，且面層厚度為9cm時面層剪應力最不利，12cm時面層層底拉應力最不利。

（2）級配碎石基層厚度對基層剪應力的影響不顯著，且當基層厚度為30cm時，瀝青面層剪應力、層底拉應力出現最小值，因此，建議級配碎石基層厚度為30cm。

（3）級配碎石模量增大，瀝青面層最大剪應力、層底拉應力和基層最大剪應力均有不同程度降低。因此，應設法提高級配碎石模量，以防止瀝青面層疲勞破壞和車轍破壞。

[1] 鄧學鈞，黃曉明.路面設計原理與方法[M].北京：人民交通出版社，2001.

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