基于層間不同接觸條件的高模量瀝青路面力學分析

鄧陳記， 王金兵， 王 博， 于恒峰

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

我國瀝青路面設計規范采用彈性層狀理論，計算時假定路面結構面層之間、面層與基層之間等均是完全連續的，這與路面的實際情況并不相符。瀝青路面采用多層層狀結構，各結構層材料均不相同，各材料層之間由于其性能、工藝、要求均不相同，實際很難達到完全連續的理想狀態。現有的研究成果表明，路面各結構層之間層間接觸條件惡化，使得其受力狀態在整個路面結構中處于最不利狀態，因此，層間接觸不良是引起半剛性基層瀝青路面早期損壞的主要原因之一[1]。本文采用Bisar 3.0計算軟件，分析了傳統的半剛性基層路面和倒裝結構路面在層間條件變化時的力學指標變化規律，以便更好地了解高模量路面結構在不同層間接觸狀態下的力學性能變化規律。

1 高模量典型路面結構及計算參數

1.1 加載形式

跨面加載形式如圖1所示。

圖1 路面荷載及計算點示意圖

依據我國現行《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)，在進行瀝青路面結構計算和分析時，采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層連續彈性層狀體系。計算時設橫斷面方向為y方向，行車方向為x方向，豎直向下為z方向[1]。標準軸載參數見表1。

表1 標準軸載計算參數

1.2 路面結構

高速公路加寬主要采用設置AM-25(再生)層的路面結構，部分采用級配碎石基層瀝青路面，路面結構詳見表2。

表2 路面結構形式一覽表

為了研究高模量瀝青混凝土路面結構受力特點，采用Shell方法中Bisar3.0軟件對高模量瀝青路面結構層進行仿真模擬，計算不同路面結構組合下各結構層的應力和應變變化情況，以便為確定直投式高模量瀝青混合料試驗段路面結構提供理論依據。

(3)計算參數。針對瀝青面層計算路表彎沉值時，瀝青層模量取20 ℃時的抗壓回彈模量；計算基底拉應力時，瀝青層模量取15 ℃時的抗壓回彈模量；計算瀝青層剪應力時，瀝青層上面層取50 ℃時的抗壓回彈模量，中下面層取20 ℃時的抗壓回彈模量。

表3 路面結構參數一覽表

2 不同層間接觸狀態下的剪切彈性柔量分析

為了計算不同層間接觸狀態下高模量路面結構的應力、應變變化規律，本文采用Bisar 3.0軟件中的簡化彈性柔量ALK[2]進行分析，其公示定義如下：

式中：a為荷載半徑，半徑標準值0.106 5 m；?為滑動系數。

其中，層間完全黏結時?=0，層間完全滑動時?=1。同時，為分析不同層間滑動程度下高模量路面結構的應力、應變變化規律，計算了不同層間滑動狀態下的簡化剪切彈性柔量，計算結果見表4。

表4 不同層間接觸狀態下簡化彈性柔量數值

目前，對層間接觸狀態對高模量路面結構力學指標的影響已經有了一些研究成果，但由于現有研究成果主要圍繞基層和面層的接觸狀態對路面結構的影響展開，但對高模量路面結構在不同接觸狀態下的力學指標變化研究很少。本文選擇典型的高速公路改擴建路面結構，應用Bisar 3.0軟件系統地分析不同典型高模量路面結構層間的接觸位置對瀝青路面力學指標的影響，以便能清楚地認識不同層間接觸條件對瀝青路面的影響[4]。

3 不同層間滑動位置力學分析

3.1 不同層間滑動位置對應力的影響

位系統的分析不同典型高模量路面結構層間接觸狀態對各層力學指標的影響規律，分別假定在上中面層、中下面層、下面層與基層、基層與底基層和底基層與土基等7種不同層間接觸位置完全滑動，其他各層完全連續條件下進行力學計算，并與路面結構各層均處于連續狀態時的力學指標進行對比[3]。不同結構層層間滑動位置下，荷載中心處結構路表及各層層底的應力計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 結構一不同層間滑動位置應力變化趨勢

圖3 結構二不同層間滑動位置應力變化趨勢

從上圖中可以看出：

(1)在整個路面結構層完全連續時，面層主要承受壓應力或者較小的拉應力，與結構層完全連續相比較，當某一層層間處于不完全連續時，整個路面結構的應力顯著變化，特別是底基層以上層位影響最為明顯，底基層以下層位影響相對較小。由此可以看出，瀝青面層間的接觸狀況對面層的受力影響較為明顯，而對基層和底基層等層位的受力影響要小得多。

(2)在各層間完全連續條件下，上下面層主要承受壓應力，僅在中面層有小幅的拉應力，壓應力起控制作用，則規范要求驗算的拉應力指基本沒有意義，瀝青層很難出現由于拉應力較大引發法人面層開裂病害；層間接觸狀態發生變化時，則瀝青面層的受力狀態和受力大小急劇變化，尤其是中下面層的拉應力迅速增加。與完全連續狀態下計算結果相比較，上中面層層間完全滑動狀態時，上面層底部由壓應力變為拉應力；中下面層層間完全滑動狀態時，中面層底部由壓應力變為拉應力；在下面層與基層完全滑動狀態時，下面層底部由壓應力變為拉應力。

(3)不同層間接觸位置下，下基層、底基層和功能層底的應力均為正值，這說明該結構層主要承受拉應力，層間接觸狀態的變化沒有改變該結構層的受力狀態，但拉應力值較各層間完全連續時均有一定幅度的增大。結構二的變化規律與結構一基本一致。

3.2 不同層間滑動位置對應變的影響

不同結構層層間滑動時，兩種典型路面結構各結構層層底的應變計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 結構一不同層間滑動時的應變規律

從上圖中可以看出：

(1)層間接觸狀態對路面結構層應變的變化規律與應力基本一致，底基層以上層位處于滑動狀態下高模量路面結構各層的應變變化顯著，底基層以下層位應變影響相對較小。

(2)與結構層完全連續相比較，上中面層層間滑動時，上面層底部的由壓應變變化為較大拉應變；中下面層層間滑動時，中面層底部的拉應變大幅增加，由此可見，層間接觸狀態發生變化，會引起路面結構各結構層應變的顯著變化，當結構層層底的拉應變超過混合料的極限拉應變，瀝青面層便會出現疲勞開裂，且拉應變的最大值均出現在瀝青面層底，在施工時應注意加強各結構層間的聯結。

4 結束語

(1)路面結構一層間接觸狀態對各層應力應變的影響規律基本一致，即底基層以上層位滑動時對各層應力應變的影響較為顯著，甚至會改變結構層的受力狀態，底基層以下層位對結構層的影響較小。因此，高模量路面結構施工中應加強各結構層特別是底基層以上層位的層間聯結處理。

(2)在結構二中，由于設置了級配碎石層，故滑動系數主要對級配碎石層以上的瀝青面層底的應變影響較顯著，級配碎石層以下的水穩層底應變受層間接觸狀態的影響很小。