基層與土基結構參數對瀝青路面力學響應的正交分析

馬煜纓

(陜西省交通規劃設計研究院)

0 引 言

基層主要承受由面層傳來的車輛荷載的垂直力，并將力擴散到下面的墊層和土基上去，路基作為路面結構的支承體，車輛荷載通過路面結構傳至路基，所以路基路面結構的整體強度和剛度與路基土的應力應變特性有很大的關系。路面結構的早期破壞，除了它自身的原因外，與基層的開裂和路基的變形過大有很大的關系。目前，一些學者采用單因素分析法，從路面層狀體系受力的角度，分析了基層和土基的結構參數對于設計指標的影響，但這種方法一般僅分析單一參數變化的力學響應，難免存在一定的片面性，采用正交法，綜合分析基層和土基各因素的改變對于瀝青路面結構的力學響應，從而為基層和土基的設計提供一定的指導作用。

1 結構參數的正交分析設計

1.1 影響因素和水平的選擇

基層與土基的材料性能以及層間的接觸條件對路面的性能有決定性的作用，另外基層的厚度對路面的性能也有很大的影響，因此分析以基層的厚度，基層的模量，底基層厚度，底基層模量，土基模量，基層與底基層接觸條件，基層與土基的接觸條件為因素。參考我國瀝青路面設計規范，并結合國內外的一些研究，因素水平表如表1。

表1 因素水平表

1.2 正交方案的確定

根據選定的因素和水平，假設選取的各因素之間無交互作用，選用L9(37)正交表，將選定的因素和水平列入正交表中，即構成正交分析方案如表2。

1.3 考核指標的選擇

我國公路瀝青路面設計規范規定，高速公路、一級公路、二級公路的路面結構，以路表面彎沉值、瀝青混凝土層的層底拉應力及半剛性材料層的層底拉應力為設計指標，另外路基頂壓應變作為目前國際上較為常用的一種指標，因此本次分析選取路表面彎沉值，瀝青混凝土層的層底拉應力和路基頂壓應變作為考核指標。

表2 正交分析方案

2 計算方法及計算位置

2.1 計算方法

計算采用基于多層彈性層狀體系理論并專為道路設計編制的BISAR3.0 程序，應用該程序，彈性層狀體系中的應力、應變和位移都能夠計算，是國際上公認的比較完善的路面設計軟件。本次計算荷載采用標準雙輪軸載BZZ－100 kN，胎壓0.7 MPa，輪壓半徑R =10.65 cm，雙圓中心距為15.975 cm，在計算中假定，X 向為道路行車方向，Y 向為道路橫斷面方向，Z 向為深度方向。

2.2 計算結構模型和計算位置

為了更好地分析基層與土基結構參數對瀝青路面的力學響應，選取我國高速公路典型的瀝青路面結構，結構和參數如圖1。

計算位置選擇雙輪荷載圓中心處的瀝青路表面和路基表面位置。

圖1 瀝青路面結構及參數

3 計算結果分析

3.1 路表彎沉值指標分析

表3 各因素對路表彎沉值的直觀分析表

由表3 可見，路表彎沉值(10－4m)都隨著路面各結構層厚度和模量的增加而有所降低，良好的層間結合狀態也能夠很好的改善路表彎沉;另外，從表中的極差結果可以看出，土基模量是影響路表彎沉值的最主要因素，相反，底基層與土基的層間結合狀態極差最小，因此按極差原理可知其對路表彎沉值影響最小，而基層與底基層的層間結合狀態極差卻為0.958，可知相對底基層與土基的層間粘結，改善基層與底基層的層間結合狀態更有利于改善路表彎沉。根據極差值的大小排序，因素的主次順序為土基模量E ＞基層厚度A ＞層間結合狀態F ＞底基層厚度C ＞底基層模量D ＞基層模量B ＞層間結合狀態G。

3.2 路基頂壓應變指標分析

表4 各因素對路基頂壓應變的直觀分析表

由表4 可見，根據極差的大小，因素的主次順序為基層厚度A ＞層間結合狀態F ＞土基模量E ＞底基層模量D ＞底基層厚度C ＞層間結合狀態G ＞基層模量B。路基頂壓應變隨著基層、底基層以及土基的厚度和模量值的增加而減小，但從極差的大小來分析，除了基層厚度的最大極差為1.091之外，其他各因素的極差都較小，可知基層厚度是影響路基頂壓應變的最顯著的因素。對于層間結合狀態，基層和底基層的層間結合狀態從完全光滑到完全連續，路基頂壓應變逐漸變小，極差為0.663，可見良好的基層和底基層的層間結合狀態對路面性能的良好及路基狀態的良好至關重要;但當底基層與土基的層間結合狀態完全連續時，較完全光滑是卻有所增加，這可能是因為車輛荷載引起的豎向應力應變傳遞到路基頂部，層間在完全光滑時使應力的傳遞變得復雜，使層間產生滑移分擔了一部分應變，由此路基頂應變表現為在完全連續時較完全光滑時有所增加。

4 結 論

以我國典型的路面結構為研究對象，考慮基層和土基的不同模量和厚度，以及不同的層間結合狀態，通過正交分析理論研究其對瀝青路面結構力學性能指標的影響，由計算結果得出如下結論。

(1)土基模量是路表彎沉的最顯著影響因素，增加土基模量可以降低路表彎沉，并能有效的改善瀝青路面的使用性能。

(2)對路基頂壓應變影響最大的是基層厚度，而其他各因素對其影響較不顯著，增加基層厚度是降低路基頂壓應變的首要選擇。

(3)相對于底基層與土基的層間結合狀態，在基層與底基層層間設置粘結層更能夠改善瀝青路面的使用性能。

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