束瑞

（江蘇開(kāi)通建設(shè)工程有限公司，江蘇 淮安 223001）

0 引言

我國(guó)對(duì)于柔性基層瀝青路面的力學(xué)研究剛起步， 對(duì)該類(lèi)路面結(jié)構(gòu)的破壞類(lèi)型及破壞機(jī)理屬于重點(diǎn)研究的課題， 大量研究數(shù)據(jù)的積累還需要一個(gè)過(guò)程。 雖然國(guó)外基于柔性基層瀝青路面的修筑建立了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)， 但由于國(guó)內(nèi)外在地域地質(zhì)條件、氣候交通狀況等方面存在很大的差異，需要自行積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 研究發(fā)現(xiàn)，影響柔性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最主要的因素是外界環(huán)境的溫度變化， 導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的主要因素是無(wú)規(guī)律反復(fù)作用的行車(chē)荷載及溫度的交變作用。 目前我國(guó)缺少用于指導(dǎo)控制公路瀝青路面設(shè)計(jì)的指標(biāo)參數(shù)。 因此，準(zhǔn)確分析柔性基層改性瀝青路面在不同溫度下的應(yīng)力分布特性和變化規(guī)律，可以減少瀝青路面病害，具有一定的工程實(shí)際意義。

1 路面結(jié)構(gòu)方案

柔性路面基層在荷載作用下具有較大的抗彎拉應(yīng)變、較高的高溫、力學(xué)性能，溫度的變化對(duì)其體積影響不大，不易產(chǎn)生收縮開(kāi)裂。 本文設(shè)計(jì)兩種柔性基層路面結(jié)構(gòu)，即級(jí)配碎石和瀝青穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)，探索最優(yōu)柔性路面結(jié)構(gòu)組合形式（表1）。

2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

采用BISAR3.0 計(jì)算行車(chē)荷載在不同溫度下兩種柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，分析比較應(yīng)力變化規(guī)律，探索最優(yōu)柔性路面結(jié)構(gòu)形式計(jì)算過(guò)程分為三個(gè)步驟:先計(jì)算出兩種路面結(jié)構(gòu)在不同路表溫度下的溫度場(chǎng); 其次根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的抗壓回彈模量值推算不同溫度場(chǎng)下各層材料的抗壓回彈模量值;最后為不同溫度下的應(yīng)力和路表彎沉值。

表1 兩種路面結(jié)構(gòu)組合形式

2.1 溫度場(chǎng)的計(jì)算

假定兩種基層瀝青路面體內(nèi)的基準(zhǔn)溫度為0 ℃，在基準(zhǔn)狀況下路表無(wú)溫度變化，其路面體內(nèi)溫度依然為0 ℃。 40 cm 深處及以下的基層和墊層中，溫度梯度變化趨于穩(wěn)定，假定其溫度也為0 ℃計(jì)算時(shí)路表溫度取-20 ℃、-100 ℃、0 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃;路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度場(chǎng)可以采用式（1）進(jìn)行計(jì)算:

式中:Th為距離路表面h 處的溫度值；T0為路表面溫度；h 為所求點(diǎn)至路表面的距離。

按照公式（1）計(jì)算出各個(gè)路面結(jié)構(gòu)層在不同路表溫度下沿厚度分布的平均溫度如表2 所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)2 各層中點(diǎn)位置平均溫度

2.2 材料參數(shù)

瀝青混合料的抗壓回彈模量值采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)瀝青混合料圓柱體。 單軸壓縮試驗(yàn)方法確定試驗(yàn)得到20 ℃下的抗壓回彈模量值， 其中泊松比取值參考公路設(shè)計(jì)手冊(cè)。

計(jì)算到標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃下的抗壓回彈模量值，就可以推算其他溫度的相應(yīng)模量值，溫度與反算模量之間的關(guān)系如式（2）

其中:θ 為溫度值。當(dāng)溫度為θ 時(shí)的抗壓回彈模量值；Ep20為溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)時(shí)的抗壓回彈模量值。

2.3 力學(xué)計(jì)算結(jié)果

采用BISAR 3.0 計(jì)算兩種柔性路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值和各層層底拉壓應(yīng)力以及剪應(yīng)力，本次計(jì)算選取輪隙中心為計(jì)算點(diǎn)，荷載采用雙圓均布垂直荷載，且為標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪載P=25 kN，輪壓p=0.7 MPa，半徑d=0.1 065 m。 層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)x 軸為行車(chē)方向，y 軸為橫斷面方向，z 軸為路面結(jié)構(gòu)深度方向計(jì)算時(shí)材料參數(shù)模量值、泊松比采用表3 中給出的值。

（1）路表彎沉是路基和路面結(jié)構(gòu)層不同深度處豎向變形的總和， 是表征路面結(jié)構(gòu)總體剛度的指標(biāo)， 能夠反映路面整體承載能力和使用狀況的好壞，兩種路面結(jié)構(gòu)路表彎沉各不相同。

可以看出: 兩種路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值隨著溫度升高逐漸增大，且為線性趨勢(shì)，增價(jià)幅度相同，結(jié)構(gòu)2 路表彎沉略<結(jié)構(gòu)1，在荷載與土基支承相同條件下，彎沉值越大，則結(jié)構(gòu)總體剛度越小，其抗壓入、抗彎曲與抗變形能力越小， 則結(jié)構(gòu)2 剛度比結(jié)構(gòu)1大，在這主要與兩種路面結(jié)構(gòu)基層材料、厚度有關(guān)。

表3 路面結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)2 各結(jié)構(gòu)層材料的抗壓回彈模量

（2）在行車(chē)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平方向會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，根據(jù)《公路瀝青路而設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）規(guī)定，控制瀝青路而整體性結(jié)構(gòu)層疲勞開(kāi)裂的是層底最大拉應(yīng)力，而非水平拉應(yīng)力。 因此根據(jù)Bisar 符號(hào)規(guī)定:“+’，為拉應(yīng)力；“-’，為壓應(yīng)力，兩種路面結(jié)構(gòu)下面層層底拉(壓)應(yīng)力如圖1 所示。

圖1 下面層層底拉(壓)應(yīng)力隨溫度變化曲線

從圖1 中可以看出，路面結(jié)構(gòu)2 下面層層底為拉應(yīng)力， 該結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力隨溫度增加逐漸減小，并且減小速率逐漸變小;結(jié)構(gòu)1 下面層層底受到的壓應(yīng)力會(huì)隨著溫度的升高逐漸增大，并且增大速率逐漸減小; 結(jié)構(gòu)1 在溫度為-20 ℃時(shí)下面層層底為拉應(yīng)力，但其隨著溫度的升高由拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力。由于瀝青混合料抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，路面結(jié)構(gòu)破壞一般是由于層底拉應(yīng)力過(guò)大造成的，壓應(yīng)力影響不大。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果將兩種路面結(jié)構(gòu)在不同溫度時(shí)的基層層底拉應(yīng)力進(jìn)行匯總， 從圖2 中可以看出，路面結(jié)構(gòu)1 的基層層底拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)2 的基層層底拉應(yīng)力，這是由于路面結(jié)構(gòu)1 的瀝青碎石基層承受較大層底拉應(yīng)力，而結(jié)構(gòu)2 基層為級(jí)配碎石，不承受拉應(yīng)力，不需要進(jìn)行基層層底拉壓應(yīng)力驗(yàn)算設(shè)計(jì)。

（4）層底剪應(yīng)力會(huì)造成瀝青混合料黏結(jié)性的破壞，所以說(shuō)剪切破壞是柔性基層路面損壞的主要形式之一。車(chē)轍、推移、面層裂紋都是在荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生的，其中級(jí)配碎石基層不需要進(jìn)行基層層底剪應(yīng)力驗(yàn)算設(shè)計(jì)，瀝青碎石基層路面結(jié)構(gòu)1 各結(jié)構(gòu)層層底剪應(yīng)力如圖2 所示。

分析圖2 可以看出， 路面結(jié)構(gòu)1 基層承受的剪應(yīng)力最大，其次為上面層，下面層剪應(yīng)力最小在溫度為-20 ℃,結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力最大，隨著溫度的升高，各結(jié)構(gòu)層層底的剪應(yīng)力逐漸減小， 其中上面層和基層的減小幅度較大，中面層和下面層基本不受影響。

圖2 基層層底拉應(yīng)力隨溫度變化曲線

3 結(jié)論

對(duì)兩種路面結(jié)構(gòu)方案采用BISAR 3.0 程序計(jì)算行車(chē)荷載和溫度作用下的路面力學(xué)行為，得到以下主要結(jié)論:

（1）路面結(jié)構(gòu)1 路表彎沉值略大于結(jié)構(gòu)2 在荷載與土基支承相同條件下，彎沉值越大，則結(jié)構(gòu)總體剛度越小，其抗壓入、抗彎曲與抗變形能力越小，則路面結(jié)構(gòu)1 總體剛度比結(jié)構(gòu)2 小，說(shuō)明在彎沉值一樣條件下，結(jié)構(gòu)1 的抗變形能力沒(méi)有結(jié)構(gòu)2 好。

（2）在不同溫度下的行車(chē)承載的負(fù)荷，路面結(jié)構(gòu)1 出現(xiàn)在瀝青碎石基層的結(jié)構(gòu)力學(xué)的最大拉應(yīng)力。 路面結(jié)構(gòu)的最大拉伸應(yīng)力為在下面層-20 ℃，兩種路面結(jié)構(gòu)經(jīng)受一定的拉伸應(yīng)力， 隨溫度的增加， 在這兩個(gè)路面結(jié)構(gòu)的垂直應(yīng)力和主壓應(yīng)力，在基本水平的主拉應(yīng)力，以下級(jí)配碎石基層瀝青路面為拉應(yīng)力。

（3）在溫度為-20 ℃時(shí)，路面結(jié)構(gòu)1 瀝青碎石基層承受的剪應(yīng)力最大，其次為上面層，下面層剪應(yīng)力最小。 隨著溫度的升高，各結(jié)構(gòu)層層底的剪應(yīng)力逐漸減小， 其中上面層和基層的減小幅度較大，中面層和下面層基本不受影響。