瀝青混凝土路面疲勞設(shè)計分析

李煒 李峰 吳儉

由于瀝青路面表面平整無接縫、柔性好，提高行車車速，降低油耗，行車舒適，路面耐磨強，揚塵少等優(yōu)點，瀝青道路在我國發(fā)展至今，在高等級公路中占有很重要的地位(約占全部數(shù)量80%～90%)。半剛性基層板體性能好，給瀝青路面整體均勻受力，在瀝青混凝土路面中得以廣泛運用。

瀝青路面疲勞性:路面在反復(fù)荷載作用下抵抗破壞的能力，長期使用過程中壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均存在，且處于兩種應(yīng)力交迭變化狀態(tài)，當荷載重復(fù)作用超過路面面層材料所能承受的疲勞次數(shù)后，就會使結(jié)構(gòu)強度抵抗力下降，產(chǎn)生疲勞破壞。

1 瀝青路面面層疲勞損傷機理

理論和實踐表明:在行駛車輪的荷載作用下(如圖1所示)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各點均處于復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)中，圖1中B點σ，ε隨著車輪滾動而變化(B點σ隨時間變化曲線如圖2所示):當車輪作用于B點正上方時，B點受到三向拉應(yīng)力作用;當車輪行駛過后B點應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變，數(shù)值變小，并有剪應(yīng)力產(chǎn)生;當車輪駛過一定距離后，B點則承受主壓應(yīng)力作用。路面表面 A點則相反，車輪駛近時受拉，車輛直接作用時受壓，長期處于應(yīng)力(應(yīng)變)交替循環(huán)變化的狀態(tài)。

路面材料的抗壓強度?抗拉強度，而且B點在車輪下所受的壓應(yīng)力?A點在車輪駛近或駛過后產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此路面疲勞裂縫通常從面層底部開始，路面疲勞設(shè)計也應(yīng)該以面層底部的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變作為控制指標。

2 瀝青路面疲勞設(shè)計方法

我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用層底拉應(yīng)力指標進行驗算，充分考慮結(jié)構(gòu)層材料的疲勞性，利用結(jié)構(gòu)強度系數(shù)K與材料的劈裂強度得出結(jié)構(gòu)層底面的容許拉應(yīng)力，具體如下:層底拉應(yīng)力σm≤容許拉應(yīng)力σR，則厚度滿足。即:

其中，σR為瀝青穩(wěn)定基層材料的容許拉應(yīng)力，MPa;σSP為瀝青穩(wěn)定基層材料的劈裂強度，MPa;KS為抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù);Ac為公路等級系數(shù);Ag為瀝青混合料級配系數(shù);Ne為標準軸載當量軸次。

3 瀝青穩(wěn)定基層與半剛性基層疲勞設(shè)計方法

瀝青穩(wěn)定材料是一種粘彈性材料，在荷載作用下具有較好的柔性，對拉應(yīng)力的變化具有較好的適應(yīng)性;而半剛性材料的剛度較大，有較大的抗拉強度，但同時對拉應(yīng)力的變化較為敏感。

根據(jù)我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范，在計算瀝青混合料與半剛性材料的結(jié)構(gòu)強度系數(shù)KS=B0Nc時，采用的系數(shù)c分別為0.22和0.11。

半剛性材料疲勞壽命為:

瀝青混合料疲勞壽命為:

4 疲勞壽命對軸重的敏感性分析

由理論分析得知，單后軸雙輪組不同軸載應(yīng)力比的簡化公式為:

其中，σ1，σ2均為基層底面拉應(yīng)力;P1，P2均為軸載總量。

與基層材料的疲勞規(guī)律相聯(lián)系，基層材料的疲勞規(guī)律為:

其中，σ0為該材料的抗拉強度;σ為某軸載作用N次的疲勞拉應(yīng)力。

由上面兩個式子可以得到以基層底面拉應(yīng)力等效時的軸載換算公式為:

半剛性基層中b=0.84，c=0.11;瀝青穩(wěn)定基層中 b=0.84，c=0.22，則有:

半剛性基層:N1/N2=(P2/P1)7.64。

瀝青穩(wěn)定基層:N1/N2=(P2/P1)3.82。

由以上計算公式計算標準軸載作用一次為1次，其他軸載重分別相當于標準軸載次數(shù)N，其結(jié)果見表1。

5 工程實例

利用BISAR程序計算浙江某道路路面結(jié)構(gòu)層，其路面結(jié)構(gòu)層如下:

路面結(jié)構(gòu)1:5 cm AC-16C中粒式瀝青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式瀝青混凝土(E=1 400)+7 cm AC-25C粗粒式瀝青混凝土(E=1 200)+34 cm 6%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石(E=1 800)+20 cm石灰穩(wěn)定土(E=600)+土基(E=1 400，μ=0.35)，E的單位為MPa，泊松比 μ除標明，其余均為0.25。

表1 當量軸載作用次數(shù) kN

路面結(jié)構(gòu)2:4 cm AC-13C細粒式瀝青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式瀝青混凝土(E=1 400)+16 cm瀝青穩(wěn)定碎石(E=1000)+46cm 3%水泥粉煤灰碎石(E=1000)+土基(E=1 400)，E的單位為MPa，泊松比 μ除標明，其余均為0.25。

經(jīng)計算:路面結(jié)構(gòu)1水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力σ=0.12 MPa，則有 Ne=1.9×108次;路面結(jié)構(gòu)2中16 cm 瀝青穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力σ=0.02 MPa，則有 Ne=2.8×109次。分析得:水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的劈裂強度較大，所以水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的疲勞壽命稍微大一些。

6 結(jié)語

1)經(jīng)過對瀝青穩(wěn)定基層與半剛性基層兩種不同材料基層的疲勞壽命計算與分析:該兩種基層中瀝青穩(wěn)定基層底拉應(yīng)力對厚度變化敏感性較差，但疲勞壽命對厚度的敏感性較大(厚度越大，差異越明顯)。從疲勞設(shè)計及經(jīng)濟合理的角度看，增加半剛性基層的厚度可以快速提高路面疲勞壽命;增加瀝青穩(wěn)定基層厚度則較小提高路面疲勞壽命，所以使用瀝青穩(wěn)定基層時，應(yīng)該從加強對地基的處理，提高地基強度，減小基層底面的拉應(yīng)力，從而提高路面疲勞壽命。2)通過以上的計算和分析:半剛性基層路面軸載敏感性很大，即半剛性基層路面上的超載車輛增多，導(dǎo)致路面很快損壞;而瀝青穩(wěn)定基層路面軸載敏感性小，對超載車輛的適應(yīng)性較強，適合于超載較多的道路。3)通過以上的計算和分析:當?shù)缆飞辖煌恳孕⌒蛙囕v為主時(占交通量80%以上)，采用半剛性基層路面，其疲勞壽命更長;但當重軸車輛一次性作用遠超過路面(軸重遠大于路面結(jié)構(gòu)抗力導(dǎo)致路面破損后)，不再對其進行正常疲勞壽命分析。

[1] JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 張 坤，魏建明.具有柔性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[J].山西建筑，2007，33(3):265-266.

[3] 鄒維列.長壽瀝青路面結(jié)構(gòu)的層厚設(shè)計與分析[J].巖土力學(xué)，2009(3):28-30.