碎石墊層模量對路面力學性能的影響分析

李洪雁

(新疆巴音郭楞蒙古自治州交通運輸局，新疆 庫爾勒 841000)

1 路面結構與計算方案

由于碎石墊層與路面頂面距離較遠，在荷載作用下產生的應力、應變水平不高，碎石墊層模量的非線性特點不明顯，因此本次計算中仍假定為線彈性材料[2]。計算時將整個路面結構看作為一種多層連續線彈性體系，采用殼牌(SHELL)法的BISAR程序對不同模量下產生的路面結構應力效應值進行計算[3]。結構層各層泊松比、20 ℃和15 ℃抗壓模量取值如表1。

表1 路面結構與參數

計算圖示如圖1所示，計算模型采用標準軸載，即雙輪組單軸100 kN，BZZ-100單輪當量圓直徑取值為21.3 cm，兩輪間距則為10.65×3=31.95 cm，輪胎接地壓力p為0.7 MPa[4]。根據計算模型，計算在不同墊層模量下A、B、C、D各計算點處各層層底拉應力σt、應變εt、土基頂面壓應變εc、面層內部剪應力及基層內部應力效應值。

圖1 力學分析結構示意圖(單位：cm)

2 碎石墊層模量對結構受力的影響

2.1 瀝青混凝土面層應力變化

(1)層底拉應力

根據計算模型，碎石墊層厚度取值為20 cm，分別計算碎石墊層模量為50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 MPa時各計算點處瀝青混凝土各面層層底拉應力。上、中、下面層層底拉應力計算結果如圖2、圖3、圖4所示，其中拉應力為正，壓應力為負，A、B、C、D則分別代表四個不同計算點，路面結構厚度及計算點具體位置詳見圖1。

圖2 上面層層底拉應力

圖3 中面層層底拉應力

圖4 下面層層底拉應力

從圖2～圖4中計算結果可以看出，瀝青混凝土面層內，上、中、下面層層底均處于受壓狀態，最大水平壓應力也均位于單圓荷載中心處。從層底拉應力隨墊層模量的變化趨勢來看，各層層底拉應力隨模量增大有減小的趨勢，但變化幅度均很小，幅度均在20 kPa以內，碎石墊層模量對各面層層底拉應力的影響并不顯著。從各面層層底產生的拉應力大小來看，上面層層底拉應力最大，其次為中面層，下面層產生的拉應力為最小。

(2)剪應力

當級配碎石材料的抗剪強度不足時，產生的剪切破壞會使路面的車轍大幅增加，尤其在縱坡較大的路段，由于水平荷載的驟增，級配碎石墊層還有可能產生剪切滑移，使瀝青面層更容易產生擁包等病害，嚴重影響路面的使用壽命。

對處于三向受力狀態的路面結構層，在其破壞面上取單元體，其三個主應力分別為σ1、σ2、σ3，且σ1>σ2>σ3，該結構層材料的內摩擦角為φ[5]。根據莫爾強度理論，該點處所受剪應力τα取決于σ1和σ3，即

(1)

(2)

則有τα=τmcosφ

(3)

從公式(3)可以看出結構層內某點破壞時所受的剪應力τα與該點處所能承受的最大剪應力τm直接相關，并呈線性關系。因此可以通過研究結構層內最大剪應力τm的變化分析各因素對剪應力的影響。

在既定的路面結構參數下，輪跡邊緣(C點位)瀝青混凝土面層內部剪應力如圖5所示。

圖5 瀝青混凝土面層內最大剪應力變化

從圖5中看到，不同模量的碎石墊層，其對應的瀝青混凝土面層內部剪應力變化趨勢一致，峰值出現的深度相同，在上面層和中面層中內部剪應力逐漸減小，在下面層中剪應力又逐漸增大。隨著碎石墊層模量的降低，面層內部剪應力逐漸增加，且增加幅度更大，這主要由于碎石墊層模量降低過多以后，半剛性基層的下臥層剛性降低，會逐漸導致面層受剪后產生更大剪切變形和剪應力。

路表的剪應力變化幅度在9共場所kPa以內，剪應力最多增大了21.7%。碎石墊層模量在300～400 MPa范圍內變化時，面層內剪應力較接近；向上提高模量并未顯著減小面層剪應力，而減小模量，面層內的剪應力卻會較顯著的增大，這一范圍對控制面層剪應力來說應為較理想的取值，以保證瀝青混凝土面層不出現明顯車轍和推移等病害。

2.2 半剛性基層應力變化

(1)層底拉應力

在既定路面結構參數下，半剛性基層的層底拉應力如圖6、圖7所示，其中A、B、C、D分別代表四個不同計算點，路面結構厚度及各計算點具體位置詳見圖1。

圖6 上基層層底拉應力

圖7 下基層層底拉應力

通過圖6和圖7可以看到，半剛性基層與底基層層底拉應力均隨著碎石墊層模量增大，呈明顯的減小趨勢，基層與底基層層底拉應力最多分別減小了196.43%、44.46%；此外，隨著墊層模量的增大，C點位處基層層底應力持續減小，最終由拉應力變為壓應力。另外，由圖中結果可以看到，碎石墊層模量250 MPa對于基層與底基層層底拉應力，均是一個顯著的分界點；如果墊層模量小于這個值，基層層底的拉應力增大更顯著，這對于半剛性基層以及瀝青混凝土面層都不利。因此，路面結構設計中適當增大碎石墊層模量，對減小半剛性基層層底拉應力，減少路面裂縫有重要作用。

(2)層內水平應力

半剛性基層內水平應力變化如圖8所示。

圖8 半剛性基層內水平應力變化

從圖8中碎石墊層不同模量下輪跡中心處(D點位)半剛性基層層內水平應力結果可以看到，半剛性基層內處于上壓下拉的狀態，上基層大部分位于受壓區，下基層完全位于受拉區。隨著碎石墊層模量增大，拉壓區分界點將向下移動3 cm左右，即受壓區增大，但上部受壓區的壓應力變化不明顯，而下部受拉區的拉應力發生大范圍變化。這表明碎石墊層模量的變化主要對下基層的水平拉應力產生重要影響，需適當增大碎石墊層模量控制下基層水平拉應力的增長。

3 結 語

對于瀝青面層來說，面層內剪應力相比各面層層底拉應力，受碎石墊層模量變化的影響更顯著；碎石墊層模量越小，面層內部產生的剪應力就越大，路面越容易因抗剪強度不足而產生車轍病害。此外，墊層模量對半剛性基層與底基層的層底拉應力也產生顯著的影響；墊層模量的增大導致基層與底基層層底壓應力的持續減小，基層也越容易因受到拉應力而發生開裂并向上發展，導致路面面層產生反射裂縫而遭到破壞。