半剛性基層瀝青路面設計中強度指標分析

高海燕

為了提高瀝青混合料路面建設水平，首先提出了半剛性基層瀝青路面車輛軸載優化公式，隨后探討了其設計要點，最后依托某公路項目，利用軟件ANSYS建立有限元模型，分析了半剛性基層瀝青路面的強度指標變化趨勢。

我國基礎設施交通網絡日益完善，公路工程建設速度不斷提高，且國內公路的路面結構層大概80%以上均為瀝青混合料路面。但是，如果瀝青路面基層材料選擇不合理，在車輛軸載影響下，會出現裂縫、凹槽等病害形式。

半剛性基層具有強度高，水穩定性好等優勢，在瀝青混合料路面設計中應用范圍較大。鑒于此，國內外學者也開始針對半剛性基層路面設計開展了部分研究，并得到了一些有價值成果，但是，半剛性基層路面的研究方向往往集中基層材料、級配優化等方面，而對其強度指標的研究較少。同時設計人員在開展半剛性基層瀝青路面設計時未能深入了解其強度指標變化規律，以工程類比法為主，這對瀝青路面疲勞壽命的影響較不利。因此，研究半剛性基層路面的強度指標變化規律具有十分重要的工程意義。

一、半剛性基層瀝青路面荷載修正

《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）中，瀝青混合料路面設計時采用的是100kN標準軸載，汽車輪胎接地壓力0.7MPa、單輪當量直徑是21.3cm，圓中心距=3×輪胎接地半徑。

但是，上述車輛標準軸載適用于常規工況下的瀝青混合料路面設計，如果路面車輛軸載較大（超過130kN），路面材料使用性能容易出現非線性變化。此時，可根據“比利時經驗法”中的來計算半剛性基層瀝青路面的軸載。該方法采用的標準車輛軸載為80kN，各等級的道路路面計算參考下式：

式中：A—輪胎接地面積，cm2；P—單個輪胎荷載，N；p—輪胎與地面的接觸壓力。

為了減小和規范中1O0kN軸載的誤差，需要對上述公式修正，修正后的輪胎接地壓強和軸載的關系見下：

式中：pi、ps—分別為重載輪胎和普通輪胎接地壓強，；Pi、Ps—分別為重載車輛軸載、標準軸載。

二、半剛性基層瀝青路面設計要點分析

1.交通參數確定

交通參數是開展半剛性基層路面設計地前提和基礎資料，它會直接影響瀝青路面軸載換算結果、交通等級、路面結構層厚度擬定等。

（1）交通量獲取

常規荷載下的公路交通量在調查時一般是利用道路觀測站實時觀測，并對觀測數據采用相應的換算系數修正，從而得到年平均日交通量。同時，在開展軸載作用次數換算時往往不按軸型和軸載分別計算（沒考慮荷載譜），而是基于概率統計對主要車型展開軸載換算。

（2）方向系數

方向系數為道路上某一方向累計當量軸次占總當量軸次百分比。方向系數能反映出某一方向車輛對半剛性基層路面的作用情況，如，公路上交通流由常規荷載車輛組成，則各方向車輛對瀝青路面的作用情況基本相同，此時方向系數近似取1。而重載車輛以運送大件貨物為主，行駛軌跡往往是單向，重載方向的路面應當單獨設計，以避免常規車輛軸載方向的路面結構過于保守，從而提高路面設計經濟效益。

2.瀝青路面結構組合

瀝青路面的基層和底基層是承受車輛荷載的主要結構層，應選強度高，抗彎拉應力強的半剛性材料，如，水泥穩定土、二灰穩定土等。如果路面上形式的重載車輛過多，路面基層不宜采用石灰土，因為石灰土中水穩性不好，在車輛荷載和水分作用下容易出現崩解現象，使基層結構變得更加松散，強度減小。

3.瀝青路面結構驗算

半剛性基層瀝青混凝土路面組合初步擬定后，應采用HPDS、BISAR等軟件對路面厚度進行永久變形量、基底拉應力等參數的驗算，同時根據驗算結果對路面結構組合開展動態調整。

三、半剛性基層瀝青路面強度指標變化規律

要提高半剛性基層路面運營壽命，必須重視不同軸載下路面強度指標地變化規律。筆者擬利用ANSYS15.0繪制路面結構計算模型，從路表彎沉、基層層底拉應力兩方面來瀝青路面的強度指標變化規律。半剛性基層瀝青混合料路面的計算可基于多層彈性理論。多層彈性理論的基本假設有：①路面各結構層是均勻連續的；②路面各結構層材料性質具有各向同性；③路面結構層間僅僅有豎向壓應力，而沒有相對滑動趨勢。

1.工程概況

某公路全長20km，主線起訖樁號是K15+680～K35+680，建設標準是一級公路，雙向四車道布置，設計速度80km/h，路面結構層總厚度是74cm，沿線可能存在較多的重型車輛軸載，土基填料是級配碎石。路面各結構層計算參數如表1：

表1 半剛性基層瀝青路面物理力學參數

2.路面三維計算模型

由相關研究成果可知，網格尺寸對軟件計算結果和效率影響十分明顯。在綜合考慮半剛性基層路面精確度和計算機運行速度的基礎上，基層和底基層采用SOLID45單元劃分，瀝青面層采用SOLID185單元劃分。其中，車輛軸載作用范圍內的路面網格進行加密處理，網格尺寸選0.5m，其它部位網格尺寸選1m，共劃分單元2828個，節點3276個。

3.半剛性基層瀝青路面強度指標計算結果

（1）層底拉應力變化。基層和底基層是承受反復車輛荷載的主要結構，層底容易出現較大拉應力，從而導致面層的疲勞破壞，因此必須對半剛性瀝青混合料路面的層底拉應力進行控制。在ANSYS中內置的動力模塊對半剛性基層瀝青路面施加了80kN、100kN、120kN、140kN、160kN、180kN、200kN的車輛軸載，不同軸載作用下瀝青路面層底拉應力見圖1。

圖1 路面層底拉應力變化

計算結果表明：半剛性基層瀝青路面層底拉應力隨車輛軸載提高而提高，則路面抗疲勞壽命不斷降低。當路面軸載從80kN提高至200kN，層底拉應力從0.05Mpa提高至0.106Mpa，增長幅度112%，即軸載每提高20kN，層底拉應力平均增長率達到18.67%。同時，層底拉應力增長趨勢并不是線形變化的，其提高速率逐漸變緩。當車輛軸載達到200kN時，瀝青路面層底拉應力基本不再變化。因此，在半剛性基層路面設計期間應當動態調整結構層厚度，盡可能降低層底拉應力，來降低車輛荷載對瀝青混合料路面地早期破壞。

（2）路面彎沉變化。彎沉值是表征公路半剛性基層路面運營壽命的關鍵參數之一。一般情況下，彎沉越大，瀝青路面承受車輛荷載的能力越差，荷載容易對路面產生破壞，從而降低道路的運營壽命。車輛軸載施加情況同上，ANSYS15.0得到的不同軸載作用下路面彎沉如圖2所示：

圖2 瀝青路面彎沉變化

由圖2可知：隨著車輛軸載的提高，路表彎沉基本呈線性正相關變化。當車輛軸載從80kN提高到200kN，彎沉值從0.21mm增加至0.79mm，增長幅度276.2%。這表明車輛荷載對半剛性基層路面承載力和使用期限的影響較大，必須在路面設計中充分重視。

四、結語

文章分析了半剛性基層瀝青路面的軸載換算、設計要點及強度指標變化規律，主要得出以下幾個方面結論：（1）半剛性基層瀝青路面設計時通常采用100kN標準軸載，如果軸載超過130kN，宜根據“比利時經驗法”中進行修正；（2）瀝青混合料路面應選強度高，抗彎拉性能強的半剛性材料作為基層，并對路面強度指標進行驗算和動態調整對路面組合和厚度進行動態調整；（3）半剛性基層瀝青路面層底拉應力隨軸載提高而提高，但增長并不是線形變化，其增長速率逐漸變緩；⑷隨著車輛軸載的提高，路表彎沉基本隨之呈線性正相關關系。