李煒 李峰 吳儉

由于瀝青路面表面平整無(wú)接縫、柔性好，提高行車(chē)車(chē)速，降低油耗，行車(chē)舒適，路面耐磨強(qiáng)，揚(yáng)塵少等優(yōu)點(diǎn)，瀝青道路在我國(guó)發(fā)展至今，在高等級(jí)公路中占有很重要的地位(約占全部數(shù)量80%～90%)。半剛性基層板體性能好，給瀝青路面整體均勻受力，在瀝青混凝土路面中得以廣泛運(yùn)用。

瀝青路面疲勞性:路面在反復(fù)荷載作用下抵抗破壞的能力，長(zhǎng)期使用過(guò)程中壓應(yīng)力、拉應(yīng)力均存在，且處于兩種應(yīng)力交迭變化狀態(tài)，當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)路面面層材料所能承受的疲勞次數(shù)后，就會(huì)使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抵抗力下降，產(chǎn)生疲勞破壞。

1 瀝青路面面層疲勞損傷機(jī)理

理論和實(shí)踐表明:在行駛車(chē)輪的荷載作用下(如圖1所示)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)均處于復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)中，圖1中B點(diǎn)σ，ε隨著車(chē)輪滾動(dòng)而變化(B點(diǎn)σ隨時(shí)間變化曲線如圖2所示):當(dāng)車(chē)輪作用于B點(diǎn)正上方時(shí)，B點(diǎn)受到三向拉應(yīng)力作用;當(dāng)車(chē)輪行駛過(guò)后B點(diǎn)應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變，數(shù)值變小，并有剪應(yīng)力產(chǎn)生;當(dāng)車(chē)輪駛過(guò)一定距離后，B點(diǎn)則承受主壓應(yīng)力作用。路面表面 A點(diǎn)則相反，車(chē)輪駛近時(shí)受拉，車(chē)輛直接作用時(shí)受壓，長(zhǎng)期處于應(yīng)力(應(yīng)變)交替循環(huán)變化的狀態(tài)。

路面材料的抗壓強(qiáng)度?抗拉強(qiáng)度，而且B點(diǎn)在車(chē)輪下所受的壓應(yīng)力?A點(diǎn)在車(chē)輪駛近或駛過(guò)后產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此路面疲勞裂縫通常從面層底部開(kāi)始，路面疲勞設(shè)計(jì)也應(yīng)該以面層底部的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)。

2 瀝青路面疲勞設(shè)計(jì)方法

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用層底拉應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，充分考慮結(jié)構(gòu)層材料的疲勞性，利用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)K與材料的劈裂強(qiáng)度得出結(jié)構(gòu)層底面的容許拉應(yīng)力，具體如下:層底拉應(yīng)力σm≤容許拉應(yīng)力σR，則厚度滿足。即:

其中，σR為瀝青穩(wěn)定基層材料的容許拉應(yīng)力，MPa;σSP為瀝青穩(wěn)定基層材料的劈裂強(qiáng)度，MPa;KS為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù);Ac為公路等級(jí)系數(shù);Ag為瀝青混合料級(jí)配系數(shù);Ne為標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次。

3 瀝青穩(wěn)定基層與半剛性基層疲勞設(shè)計(jì)方法

瀝青穩(wěn)定材料是一種粘彈性材料，在荷載作用下具有較好的柔性，對(duì)拉應(yīng)力的變化具有較好的適應(yīng)性;而半剛性材料的剛度較大，有較大的抗拉強(qiáng)度，但同時(shí)對(duì)拉應(yīng)力的變化較為敏感。

根據(jù)我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，在計(jì)算瀝青混合料與半剛性材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)KS=B0Nc時(shí)，采用的系數(shù)c分別為0.22和0.11。

半剛性材料疲勞壽命為:

瀝青混合料疲勞壽命為:

4 疲勞壽命對(duì)軸重的敏感性分析

由理論分析得知，單后軸雙輪組不同軸載應(yīng)力比的簡(jiǎn)化公式為:

其中，σ1，σ2均為基層底面拉應(yīng)力;P1，P2均為軸載總量。

與基層材料的疲勞規(guī)律相聯(lián)系，基層材料的疲勞規(guī)律為:

其中，σ0為該材料的抗拉強(qiáng)度;σ為某軸載作用N次的疲勞拉應(yīng)力。

由上面兩個(gè)式子可以得到以基層底面拉應(yīng)力等效時(shí)的軸載換算公式為:

半剛性基層中b=0.84，c=0.11;瀝青穩(wěn)定基層中 b=0.84，c=0.22，則有:

半剛性基層:N1/N2=(P2/P1)7.64。

瀝青穩(wěn)定基層:N1/N2=(P2/P1)3.82。

由以上計(jì)算公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸載作用一次為1次，其他軸載重分別相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)N，其結(jié)果見(jiàn)表1。

5 工程實(shí)例

利用BISAR程序計(jì)算浙江某道路路面結(jié)構(gòu)層，其路面結(jié)構(gòu)層如下:

路面結(jié)構(gòu)1:5 cm AC-16C中粒式瀝青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式瀝青混凝土(E=1 400)+7 cm AC-25C粗粒式瀝青混凝土(E=1 200)+34 cm 6%水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石(E=1 800)+20 cm石灰穩(wěn)定土(E=600)+土基(E=1 400，μ=0.35)，E的單位為MPa，泊松比 μ除標(biāo)明，其余均為0.25。

表1 當(dāng)量軸載作用次數(shù) kN

路面結(jié)構(gòu)2:4 cm AC-13C細(xì)粒式瀝青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式瀝青混凝土(E=1 400)+16 cm瀝青穩(wěn)定碎石(E=1000)+46cm 3%水泥粉煤灰碎石(E=1000)+土基(E=1 400)，E的單位為MPa，泊松比 μ除標(biāo)明，其余均為0.25。

經(jīng)計(jì)算:路面結(jié)構(gòu)1水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力σ=0.12 MPa，則有 Ne=1.9×108次;路面結(jié)構(gòu)2中16 cm 瀝青穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力σ=0.02 MPa，則有 Ne=2.8×109次。分析得:水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度較大，所以水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的疲勞壽命稍微大一些。

6 結(jié)語(yǔ)

1)經(jīng)過(guò)對(duì)瀝青穩(wěn)定基層與半剛性基層兩種不同材料基層的疲勞壽命計(jì)算與分析:該兩種基層中瀝青穩(wěn)定基層底拉應(yīng)力對(duì)厚度變化敏感性較差，但疲勞壽命對(duì)厚度的敏感性較大(厚度越大，差異越明顯)。從疲勞設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)合理的角度看，增加半剛性基層的厚度可以快速提高路面疲勞壽命;增加瀝青穩(wěn)定基層厚度則較小提高路面疲勞壽命，所以使用瀝青穩(wěn)定基層時(shí)，應(yīng)該從加強(qiáng)對(duì)地基的處理，提高地基強(qiáng)度，減小基層底面的拉應(yīng)力，從而提高路面疲勞壽命。2)通過(guò)以上的計(jì)算和分析:半剛性基層路面軸載敏感性很大，即半剛性基層路面上的超載車(chē)輛增多，導(dǎo)致路面很快損壞;而瀝青穩(wěn)定基層路面軸載敏感性小，對(duì)超載車(chē)輛的適應(yīng)性較強(qiáng)，適合于超載較多的道路。3)通過(guò)以上的計(jì)算和分析:當(dāng)?shù)缆飞辖煌恳孕⌒蛙?chē)輛為主時(shí)(占交通量80%以上)，采用半剛性基層路面，其疲勞壽命更長(zhǎng);但當(dāng)重軸車(chē)輛一次性作用遠(yuǎn)超過(guò)路面(軸重遠(yuǎn)大于路面結(jié)構(gòu)抗力導(dǎo)致路面破損后)，不再對(duì)其進(jìn)行正常疲勞壽命分析。

[1] JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 張 坤，魏建明.具有柔性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].山西建筑，2007，33(3):265-266.

[3] 鄒維列.長(zhǎng)壽瀝青路面結(jié)構(gòu)的層厚設(shè)計(jì)與分析[J].巖土力學(xué)，2009(3):28-30.