柴彩萍

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安 710018)

基于抗裂的瀝青路面合理結(jié)構(gòu)研究

柴彩萍

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安 710018)

利用專門的道路設(shè)計程序,對半剛性基層瀝青路面進行結(jié)構(gòu)力學(xué)計算。通過瀝青路面內(nèi)的應(yīng)力大小和分布分析,得到層底拉應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)(各材料層厚度、模量及結(jié)構(gòu)形式)變化規(guī)律,據(jù)此提出避免瀝青面層疲勞開裂和半剛性基層反射裂縫的瀝青路面合理結(jié)構(gòu),并指出基于抗裂的瀝青路面材料組合設(shè)計方向。研究結(jié)果對半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計具有理論參考價值。

瀝青路面開裂;結(jié)構(gòu)力學(xué)分析;結(jié)構(gòu)組合;材料組成設(shè)計

疲勞開裂作為瀝青路面一種主要破壞形式,不僅會影響路面整體性和行車舒適性,還會因水分侵入導(dǎo)致整個路面結(jié)構(gòu)過早破壞,降低路面服務(wù)質(zhì)量,縮短其使用壽命。半剛性基層瀝青路面的疲勞開裂:一方面是由瀝青材料層內(nèi)的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變的重復(fù)作用所致;另一方面是由半剛性基層疲勞裂縫反射到瀝青面層所致。路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力是由行車荷載和自然因素共同作用下產(chǎn)生的,在一定的環(huán)境和交通條件下,路面內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是相對的,大小取決于:①材料力學(xué)性質(zhì)(回彈模量、泊松比);②各層結(jié)構(gòu)厚度;③結(jié)構(gòu)形式(材料層次相對位置、各層剛度的相對性等)[1]。所以借助專用程序計算路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),進行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計,合理選擇和安排瀝青路面結(jié)構(gòu)層次,使整個路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限里既能承受行車荷載和自然因素的共同作用,又能發(fā)揮各結(jié)構(gòu)層的最大效能,并進一步指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)各層材料設(shè)計,對實現(xiàn)既經(jīng)濟又實用路面結(jié)構(gòu)具有重大意義。

1 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變分析

1.1 計算理論和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

瀝青路面的力學(xué)計算理論和相應(yīng)的計算機程序的發(fā)展為分析路面應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)提供了手段。進行應(yīng)力應(yīng)變分析時,把路面結(jié)構(gòu)層簡化為四層體系[2],主要考慮主承力結(jié)構(gòu)層:瀝青材料層、基層、底基層和路基,用基于多層彈性層狀體系理論專為道路設(shè)計而編制的Bisar程序計算分析標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變大小,分布規(guī)律及影響因素。標(biāo)準(zhǔn)荷載為雙圓均布荷載,荷載圓半徑 δ=10.65 cm,雙圓中心距d=3 δ,垂直荷載p=0.7MPa,水平荷載亦認(rèn)為在雙圓內(nèi)均布作用,其方向平行于車輪行駛方向。結(jié)構(gòu)計算如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)力學(xué)計算圖式

本文所依托的是國道310線(鄭州～上街)二級公路改建工程,結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、實際經(jīng)濟情況、材料來源和使用情況,并參照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2006)規(guī)定,對于二級公路:面層厚度建議值7 cm～12 cm;高速、一二級公路土基模量不小于30 MPa;基層、底基層一次攤鋪碾壓厚度18 cm～20 cm。常溫條件下路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)選取如表1所示[3]。另外,在具體進行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算時,為了說明問題的需要將適當(dāng)調(diào)整面層和基層的模量值和厚度。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 拉應(yīng)力計算和結(jié)果分析

在考慮水平荷載(f=0.2)和垂直荷載共同作用下,輪隙中心處應(yīng)力沿深度分布曲線,如圖2所示。拉應(yīng)力隨著深度的增加先增大后減小,峰值出現(xiàn)在路表下35 cm處。

圖2 拉應(yīng)力沿深度分布

1.2.1 面層底拉應(yīng)力分析

當(dāng)路基模量大于30 MPa且基層厚度大于200 mm時,影響瀝青材料層內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的因素主要是瀝青材料層的厚度和瀝青面層與半剛性基層的模量比。

(1)基、面層模量比對面層底拉應(yīng)力的影響

保持各結(jié)構(gòu)層厚度及土基模量不變,計算不同基、面層模量比E2/E1時車輛荷載在面層底產(chǎn)生的拉應(yīng)力值 σ1,并繪制E2/E1～σ1曲線如圖3所示。

圖3 瀝青面層底拉應(yīng)力隨基、面層模量比的變化曲線

從圖3可以看出,隨著基、面層模量比的增大,面層底拉應(yīng)力逐漸減小,尤其是在E2/E1較小時減小的趨勢更為明顯,故當(dāng)基層模量較小時,稍微增大基層模量就可顯著降低面層底拉應(yīng)力;且當(dāng)E2/E1≥0.45時,瀝青材料層就完全處于受壓狀態(tài)。

(2)面層厚度對面層底拉應(yīng)力的影響

保持各結(jié)構(gòu)層其它參數(shù)不變,計算瀝青面層厚h1取不同值時車輛荷載作用下面層底拉應(yīng)力 σ1值,并繪制h1～σ1曲線如圖4所示。

圖4 瀝青面層底拉應(yīng)力隨面層厚度的變化曲線

在圖4所示面層厚度范圍內(nèi),面層底始終處于受壓狀態(tài),且隨著面層厚度的增大,面層底拉應(yīng)力先減小后增大,最小值出現(xiàn)在9 cm前后,說明面層厚度為9 cm左右時,面層底拉應(yīng)力最小,減小或增大面層厚度都會增大面層底開裂的可能性。

總之,通常情況下,半剛性基層瀝青路面,基、面層模量比E2/E1≥0.45的條件很容易實現(xiàn),在規(guī)范規(guī)定的二級路瀝青面層7 cm～12 cm厚度范圍內(nèi),瀝青材料層完全處于三向受壓縮狀態(tài),可以避免荷載疲勞裂縫的發(fā)生。

1.2.2 基層底拉應(yīng)力分析

(1)基層底拉應(yīng)力影響因素研究

計算不同結(jié)構(gòu)層厚度及不同結(jié)構(gòu)層模量時基層底的拉應(yīng)力值,并繪制基層底拉應(yīng)力 σ2隨面層模量E1、基層和面層模量比、底基層和基層的模量比E3/E2及面層厚度h1變化曲線如圖5～圖8所示。

圖5 基層底拉應(yīng)力隨底基層、基層模量比變化曲線

圖6 基層底拉應(yīng)力隨面層厚度變化曲線

圖7 基層底拉應(yīng)力隨面層模量變化曲線

圖8 基層底拉應(yīng)力隨基、面層模量比變化曲線

從圖5～圖8可以看到:①基層底的拉應(yīng)力 σ2隨著面層模量E1減小略有增加;②基層底的拉應(yīng)力σ2隨著基層和面層的模量比E2/E1增加稍有增加;③基層底的拉應(yīng)力 σ2隨著底基層和基層的模量比E3/E2增加顯著減小;④隨著面層厚度h1增加,基層底的拉應(yīng)力σ2有所減小;⑤從拉應(yīng)力沿深度分布圖2可以看出,在路表下約30 cm深度處,應(yīng)力曲線變得比較平緩,所以,當(dāng)基層厚度大于20 cm后,增加其厚度對基層底拉應(yīng)力并不會產(chǎn)生太大影響?？傊?標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下,影響基層底拉應(yīng)力大小的主要是底基層和基層的模量比,其次是面層的厚度。

2 避免反射疲勞裂縫的瀝青面層厚度研究

適當(dāng)厚度的瀝青面層對半剛性基層可以起到保溫、防止水分過快散失的作用,大大降低基層溫、干縮率,同時減小車輛荷載下的拉應(yīng)力,有利于減小半剛性基層的開裂,延遲、減輕甚至避免反射裂縫的產(chǎn)生[4]。

2.1 基層底拉應(yīng)力計算

2.1.1 基層底荷載應(yīng)力計算

為安全起見,并考慮到溫度的影響,選取可能出現(xiàn)的最不利情況來進行基層底拉應(yīng)力分析。結(jié)構(gòu)參數(shù)選取如下:E1=1 000MPa;E2=1 600MPa、h2=20 cm;E3=400 MPa、h3=30 cm;E4=45 MPa。分別計算不同面層厚度h1=7 cm、9 cm、12 cm時基層底的拉應(yīng)力,計算結(jié)果表明,在規(guī)范規(guī)定的面層厚度范圍內(nèi),最不利季節(jié)時 σp的值域為0.175 MPa～0.205 MPa。

2.1.2 基層溫度應(yīng)力估算

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)層力學(xué)參數(shù)、路面材料的熱力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)層內(nèi)降溫幅度密切相關(guān)[5]。溫度應(yīng)力按下式計算:

式中:E為材料層的回彈模量(MPa);α為溫度收縮系數(shù);ΔT為降溫幅度(℃)。

鄭州位于河南省的中東部,屬豫東地區(qū),夏炎熱冬冷濕潤,其氣候?qū)倥瘻貛А獊啛釒?、濕潤—半濕潤的大陸性季風(fēng)氣候,低溫季節(jié)氣溫日波動量一般不超過15℃,經(jīng)瀝青面層對溫度的衰減作用,基層頂面的溫度日波動量約為8℃左右[6]。

考慮鄭州當(dāng)?shù)氐牟牧蟻碓础⑹┕に胶蛥⒖家?guī)范建議值并進行不利季節(jié)適當(dāng)折減來選擇半剛性基層材料參數(shù):抗壓模量取與基層底荷載應(yīng)力計算時相同的值即E2=1 600 MPa;劈裂強度取為σsp=0.6 MPa(規(guī)范0.4 MPa～0.8 MPa)。隨著溫度的變化,基層材料溫縮系數(shù) α在 6.0×10-6/℃～12.0×10-6/℃之間變化。

選取相應(yīng)參數(shù)代入溫度應(yīng)力公式,計算得基層溫度附加應(yīng)力 σT在0.077 MPa～0.154 MPa之間。則在車輛荷載和溫度變化共同作用下基層底產(chǎn)生的總應(yīng)力大小為0.25 MPa～0.35 MPa。

2.1.3 基層容許拉應(yīng)力計算

容許拉應(yīng)力按下式計算:

式中:σsp為半剛性材料層的劈裂強度(MPa);Ks為抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對于無機結(jié)合料穩(wěn)定集料類,Ks按下式計算:

式中:Ne為設(shè)計年限內(nèi)一個車道累計當(dāng)量軸次,對于中等交通Ne=400～900萬次/車道;Ac為按公路等級確定的保證率系數(shù),二級公路取1.1。

計算得Ks值在0.62～0.67之間。

結(jié)合鄭州地區(qū)交通和材料實際應(yīng)用情況,選取適當(dāng)參數(shù)值并將其代入容許拉應(yīng)力σr計算公式,得基層底容許拉應(yīng)力 σr值在0.25 MPa～0.54 MPa之間。

2.2 防止基層疲勞開裂的瀝青面層厚度分析

為保證基層底不發(fā)生疲勞開裂,必須使得基層總拉應(yīng)力σ總和基層底容許拉應(yīng)力σr之間滿足關(guān)系式:σ總≤σr。基層底總拉應(yīng)力 σ總等于基層底荷載應(yīng)力σp和溫度應(yīng)力σT之和,根據(jù)前面計算結(jié)果,在最不利季節(jié)其值域范圍為0.25 MPa～0.35 MPa;基層容許拉應(yīng)力 σr,對于二級路,其值在 0.25 MPa～0.54 MPa之間變化,對比得出基本上可以滿足 σ總≤σr條件。也就是說,規(guī)范規(guī)定的二級公路瀝青面層7 cm～12 cm厚度范圍基本上可以起到消荷、隔溫作用,避免不利季節(jié)半剛性基層疲勞開裂,防止瀝青面層反射裂縫的發(fā)生[7]。但安全起見,建議路面設(shè)計時以合理的路面材料組成作保證,如選擇收縮系數(shù)較小的半剛性基層材料和隔溫性能較好的面層材料,如用其它無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料代替水泥穩(wěn)定類材料,或采用較小水泥劑量;適當(dāng)增加底基層、基層的模量比以降低基層底的彎拉應(yīng)力等,從而避免因半剛性基層開裂而反射到瀝青面層現(xiàn)象發(fā)生,防止其過早開裂,延長路面使用壽命。

3 結(jié) 語

本文通過專用程序,分析了行車荷載和自然因素共同作用下半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力狀況和影響因素,提出了避免開裂的瀝青路面合理結(jié)構(gòu),并指出各結(jié)構(gòu)層材料組合設(shè)計的方向。

本文的研究,對半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計具有理論參考價值,對瀝青路面材料抗裂組合設(shè)計具有理論指導(dǎo)作用,在分析解決半剛性基層瀝青路面疲勞開裂問題方面具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]陳立軍,等著.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]鄭健龍,周志剛,張起森.瀝青路面抗裂設(shè)計理論與方法[M].北京:人民交通出版社,2002:41-45.

[3]柳志軍.河南省路基路面設(shè)計參數(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2003.

[4]梁子偉.高速公路瀝青路面疲勞開裂的預(yù)測方法及影響因素分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2011,3(4):144-146.

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[6]范植昱,徐柏才.降溫過程對瀝青路面Top-Down開裂的影響[J].中外公路,2011,31(4):40-43.

[7]鄧洪亮,廖 丹,王正念.半剛性基層瀝青路面溫度型反射裂縫的擴展機理分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2009,7(4):4-6.

Study on Structural Design of Anti-cracking Asphalt Pavement

CHAI Cai-ping
(Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

In this paper,a special road design program is used to analyze the stress value and distribution of the semirigid asphalt pavement under normal tire pressure.Based on calculating analysis,some conclusions are obtained,such as the change law of the stress in layer bottom caused by the altering of construction mechanics parameters,the rational asphalt pavement construction based on the change law which could avoid the fatigue cracking and reflection cracking and the design direction of anti-cracking asphalt pavement's material composition.The research resultswould have theoretical reference value for the structural design of semi-rigid asphalt pavement.

asphalt pavement cracking;structural mechanics analysis;structure combination;material composition design

U416.217

A

1672—1144(2012)05—0151—04

2012-03-26

2012-04-28

柴彩萍(1977—),女(漢族),山西永濟人,碩士研究生,講師,主要從事公路材料與結(jié)構(gòu)檢測的教學(xué)與科研工作。