路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響

韓紅青，李祥斌 湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079

近年來(lái)，我國(guó)各地區(qū)的聯(lián)系越來(lái)越緊密，車(chē)輛對(duì)公路的荷載作用越來(lái)越大，在這種情況下，人們對(duì)公路路面的要求也越來(lái)越高。為滿足車(chē)輛荷載需求，在進(jìn)行公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)以瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力、半剛性材料層層底拉應(yīng)力、路表回彈彎沉值等為設(shè)計(jì)指標(biāo)，并根據(jù)相應(yīng)算式，分析路基回彈模量對(duì)路面厚度設(shè)計(jì)的影響。在確定路基回彈模量衰減時(shí)，人們經(jīng)常會(huì)采用室內(nèi)試驗(yàn)法、查表法、換算法、公路調(diào)查法等，同時(shí)會(huì)對(duì)最不利環(huán)境進(jìn)行分析。實(shí)際表明，隨著自然環(huán)境的惡劣，路基回彈模量會(huì)逐漸衰減，甚至?xí)隹煽刂品秶?，在這種情況下，必須研究分析路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響，這樣才能為公路瀝青路面的正常使用提供保障。

1 算法

1.1 確定設(shè)計(jì)指標(biāo)

在確定公路瀝青路面厚度時(shí)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力、半剛性材料層層底拉應(yīng)力、路表回彈彎沉值。其中在計(jì)算瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力或者半剛性材料層層底拉應(yīng)力時(shí)，采用公式σR=σS/KS進(jìn)行計(jì)算，在該公式中，σR表示公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力;σS表示瀝青混凝土或者半剛性材料的極限拉裂程度;KS表示材料抗拉強(qiáng)度系數(shù)。

1.2 計(jì)算公路瀝青路面厚度

假設(shè)多層彈性理論以及層間接觸條件是完全連續(xù)，在荷載均勻分布的作用下，計(jì)算公路瀝青路面厚度，在計(jì)算過(guò)程中，要保證設(shè)計(jì)彎沉值ld大于或者等于計(jì)算彎沉值lS，也就是ld≥lS=2000pδαcF/E1，其中αc=f(h1/δ，h2/δ，h3/δ···hn-1/δ，E2/E1，E3/E2，E4/E3···E0/En-1)，F(xiàn)=1.63(lS/(2000δ)0.3δ(E0/p)0.36)。式中p、δ 表示標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輪胎接地壓強(qiáng)以當(dāng)量圓半徑;αc表示理論彎沉系數(shù);F 表示彎沉修正系數(shù);E1、E2、En-1表示路面各層材料抗壓回彈模量，E0表示路基回彈模量，h1、h2、hn-1表示路面各結(jié)構(gòu)層厚度。

1.3 路基回彈模量衰減對(duì)瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響

在確定路基回彈模量時(shí)，經(jīng)常會(huì)采用預(yù)估的方式，然后根據(jù)路基回彈模量確定瀝青路面厚度，設(shè)公路在使用一段時(shí)間后，其路基回彈模量衰減等于Ex，則Fx=1.63(lS/(2000δ)0.3δ(Ex/p)0.36)，其中Fx是指在Ex下對(duì)應(yīng)的彎沉修正系數(shù)，帶入彎沉值計(jì)算公式中，得出lSx=4398.13δ(αcxp0.64E0.36x/E1)1.61，得出定義路基回彈模量衰減率ΔE0=［(E0-Ex)/E0］×100%。由于Ex＜E0，因此，當(dāng)路基回彈模量衰減率達(dá)到一定程度時(shí)，lSx＞ld，則使得設(shè)計(jì)出來(lái)的公路瀝青路面無(wú)法滿足實(shí)際需求。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 基本資料

某城市計(jì)劃在年初新建一條雙向二級(jí)公路，公路路面采用瀝青路面，預(yù)計(jì)該公路在投運(yùn)第一年平均當(dāng)量軸次為1200 次/天，設(shè)計(jì)交通年增長(zhǎng)率為8%。該公路的土質(zhì)為黏性土質(zhì)，并且地下水距離路槽3.17m，路基屬于中濕類(lèi)，該公路最大凍深為185cm，另外在該公路儲(chǔ)藏有豐富的石灰資源和碎石資源。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上公式，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層厚度，該公路路面結(jié)構(gòu)層從上到下為中粒式瀝青混凝土、粗粒式瀝青混凝土、級(jí)配砂礫、路基土，其計(jì)算結(jié)果為:中粒式瀝青混凝土的厚度h1=4cm、計(jì)算彎沉值lS=29.72mm、公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力σR=0.4MPa、回彈模量E1=1200MPa;粗粒式瀝青混凝土的厚度h2=6cm、計(jì)算彎沉值lS=29.72mm、公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力σR=0.30MPa、回彈模量E2=1000MPa;級(jí)配砂礫的厚度h3=30cm、計(jì)算彎沉值lS=29.72mm、回彈模量E3=200MPa;二灰碎石的厚度h4=22cm、計(jì)算彎沉值lS=29.72mm、公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力σR=0.37MPa、回彈模量E4=1500MPa;路基土的計(jì)算彎沉值lS=29.72mm、回彈模量E0=29MPa。

2.3 路基回彈模量衰減造成的影響

假設(shè)，公路在使用過(guò)程中，其路基回彈模量衰減達(dá)到20%，則路基回彈模量實(shí)際為23.2MPa，在這種情況下，計(jì)算得出彎沉值和路面結(jié)構(gòu)層材料允許拉應(yīng)力，從而判斷公路瀝青路面厚度受到路基回彈模量衰減的影響。

(1)路表彎沉理論分析。實(shí)際計(jì)算顯示，路基回彈模量衰減達(dá)到20%以后，其計(jì)算彎沉值會(huì)增加22.71%，也就是說(shuō)路基回彈模量衰減會(huì)對(duì)計(jì)算彎沉造成很大的影響，甚至?xí)绊懫鋵?shí)際值超出設(shè)計(jì)值。為深入研究路基回彈模量衰減對(duì)路表彎沉值的影響，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層其他條件不變，設(shè)定路基回彈模量E0 為10、20、30、40、50MPa 等幾種情況，其計(jì)算結(jié)果為:當(dāng)路基回彈模量為10MPa 時(shí)，路表彎沉為22.41，路基頂面彎沉為17.68，路基頂面彎沉在路表彎沉中的比重為78.89%;當(dāng)路基回彈模量為20MPa 時(shí)，路表彎沉為29.91，路基頂面彎沉為25.28，路基頂面彎沉在路表彎沉中的比重為84.52%;當(dāng)路基回彈模量為30MPa 時(shí)，路表彎沉為33.29，路基頂面彎沉為28.67，路基頂面彎沉在路表彎沉中的比重為86.12%;當(dāng)路基回彈模量為40MPa 時(shí)，路表彎沉為38.03，路基頂面彎沉為33.44，路基頂面彎沉在路表彎沉中的比重為87.93%;當(dāng)路基回彈模量為50MPa 時(shí)，路表彎沉為45.28，路基頂面彎沉為40.72，路基頂面彎沉在路表彎沉中的比重為89.93%。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著路基回彈模量衰減的增加，計(jì)算彎沉值會(huì)逐漸變大，因此，要盡量減小路基回彈模量衰減。

(2)基層底面拉應(yīng)力理論分析。另外計(jì)算結(jié)果還表明，路基回彈模量衰減達(dá)到20%以后，其瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力不會(huì)發(fā)生太大的變化，而碎石基層底面彎拉應(yīng)力會(huì)增加7.41%，其增加度滿足路面結(jié)構(gòu)層材料的允許拉應(yīng)力要求。對(duì)于公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，其層底拉應(yīng)力引起路面結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂的主要原因是，瀝青路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，在車(chē)輛荷載的作用下，瀝青路面會(huì)一直處于應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，這就會(huì)逐漸降低路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，當(dāng)瀝青路面受到的荷載達(dá)到一定程度后，層底拉應(yīng)力就會(huì)逐漸引起路面開(kāi)裂。瀝青路面穩(wěn)定性劈裂方程為lgNf=0.921-14.344 ×lg(σ/s)，式中Nf 表示公路使用壽命;σ 表示標(biāo)準(zhǔn)軸載下，基層底面水平拉應(yīng)力;s 表示材料極限劈裂強(qiáng)度。不同路基回彈模量下，基層底拉應(yīng)力及疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果為:當(dāng)路基回彈模量為10MPa 時(shí)，基層底拉應(yīng)力為0.0662MPa，基層疲勞壽命為273.01 ×1010次;當(dāng)路基回彈模量為20MPa 時(shí)，基層底拉應(yīng)力為0.0689MPa，基層疲勞壽命為754.28 × 1010次;當(dāng)路基回彈模量為30MPa 時(shí)，基層底拉應(yīng)力為0.0721MPa，基層疲勞壽命為393.3 ×1010次;當(dāng)路基回彈模量為40MPa時(shí)，基層底拉應(yīng)力為0.0761MPa，基層疲勞壽命為171.29 ×1010次;當(dāng)路基回彈模量為50MPa 時(shí)，基層底拉應(yīng)力為0.0881MPa，基層疲勞壽命為22.19 ×1010次。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力會(huì)隨著路基回彈模量衰減的增加而變大，并且在總體上，基層疲勞壽命會(huì)隨著路基回彈模量衰減的增加而減小。

(3)路面剪應(yīng)力理論分析。在車(chē)輛橫向力的長(zhǎng)期作用下，公路瀝青路面面層會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，為掌握路基回彈模量對(duì)路面剪應(yīng)力的影響，設(shè)定路基回彈模量為20MPa，然后分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1δ、1.5δ、2δ、2.5δ 下的瀝青面層底面剪應(yīng)力大小，設(shè)定計(jì)算深入h 為10cm，摩擦系數(shù)f 為0.3，則計(jì)算結(jié)果為:距雙圓荷載中心0 處的路面剪應(yīng)力為0.06MPa;距雙圓荷載中心5cm 處的路面剪應(yīng)力為0.12MPa;距雙圓荷載中心10cm 處的路面剪應(yīng)力為0.18MPa;距雙圓荷載中心15cm 處的路面剪應(yīng)力為0.2MPa;距雙圓荷載中心20cm 處的路面剪應(yīng)力為0.19MPa;距雙圓荷載中心25cm 處的路面剪應(yīng)力為0.14MPa。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果可以看出，在距雙圓荷載中心15cm，也就是單圓荷載的中心位置，其路面剪應(yīng)力最大為0.2MPa，將此位置當(dāng)做控制中心，分析剪應(yīng)力隨深度變化情況。實(shí)踐表明，當(dāng)距路表深度為6cm 時(shí)，剪應(yīng)力最大，為0.23MPa，當(dāng)距路表深度達(dá)到10cm 后，剪應(yīng)力不會(huì)隨著深度的增加而明顯變小。分析得出，隨著路基回彈模量的增加，路面剪應(yīng)力也會(huì)得到增加，但其增加幅度很小，從總體上看，路基回彈模量不會(huì)對(duì)路面剪應(yīng)力造成極大的影響。

3 總結(jié)

結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)路基回彈模量衰減對(duì)公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析，得出子啊充分考慮自然環(huán)境的條件下，公路瀝青路面厚度設(shè)計(jì)情況會(huì)受到路基回彈模量衰減的影響;同時(shí)當(dāng)路基回彈模量衰減達(dá)到20%以后，其計(jì)算彎沉值會(huì)增加22.71%，也就是說(shuō)路基回彈模量衰減會(huì)對(duì)計(jì)算彎沉造成很大的影響，甚至?xí)绊懫鋵?shí)際值超出設(shè)計(jì)值;而瀝青混凝土層層底拉應(yīng)力不會(huì)發(fā)生太大的變化，但碎石基層底面彎拉應(yīng)力會(huì)增加7.41%，其增加度滿足路面結(jié)構(gòu)層材料的允許拉應(yīng)力要求。

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