蘇紅敏

(新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院)

1 路面結構方案的選定

半剛性基層具有良好的強度、剛度和穩(wěn)定性，可作為路面結構的主要承載體，并且具有工程投資少、設計方法和施工工藝成熟等特點，是我國典型的路面結構。結合近些年新建高速公路、一級公路半剛性基層瀝青路面結構方案，采用的半剛性基層瀝青路面結構方案各結構層組合及參數(shù)如表1 所示。

表1 路面結構及參數(shù)

應用單軸雙圓均布荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論對不同路基回彈模量下的路表彎沉、基層底面拉應力、面層剪應力的變化規(guī)律進行計算分析，以確定路基回彈模量對路面整體結構的受力影響。標準軸承100 kN，垂直荷載p=0.707 MPa，當量圓半徑=10.65 cm，輪間距為3，荷載作用如圖1 所示。

圖1 雙圓均布荷載作用下的路面結構力學計算模型

利用BISAR3.0 力學計算程序進行分析計算，在計算中假定:y 軸為路面橫向，x 軸為車輛行駛方向，即路面縱向，z軸為路面深度方向，整個計算結果中，拉應力為正，壓應力為負。分析某一結構參數(shù)的敏感性時，其它結構參數(shù)保持不變。

2 路基回彈模量對瀝青路面結構設計參數(shù)的影響

2.1 路表彎沉的理論分析

路表彎沉值是路面各結構層與路基變形之和，為研究路表彎沉值隨路基回彈模量的變化趨勢，土基回彈模量E0選用20、30、40、50、60、70、80、90、100 MPa 等9 種情況，路面結構層的其他參數(shù)保持不變，進行路面結構力學對比分析，得到路表彎沉值隨路基回彈模量的變化規(guī)律，計算結果見表2和圖2 所示。

圖2 不同路基回彈模量下的彎沉計算值

路基回彈模量從20 MPa 到100 MPa 的過程中，由表2可得到以下結論:(1)路表彎沉值降低了61.49%，路基頂面彎沉值降低了67.05%，同時可以看出路基頂面彎沉占路表彎沉的78% ～92%，并且隨著路基回彈模量的增大對路表彎沉值影響減弱;(2)路基回彈模量越小對路表彎沉的影響越大，在路基回彈模量小于40 MPa 時，彎沉曲線較陡直，當回彈模量大于40 MPa 后，彎沉曲線逐漸平緩。因此，建議新建道路的路基回彈模量以不小于40 MPa 為宜，

表2 不同路基回彈模量下的彎沉計算值0.01 mm

2.2 基層底面拉應力的理論分析

對于半剛性基層瀝青路面，無論層間滑動或連續(xù)，瀝青面層大多處于受壓區(qū)不能控制設計對應，基層底面拉應力可作為路面結構設計指標相對應。因此僅對半剛性基層層底拉應力進行分析。

層底拉應力是造成路面結構層疲勞開裂的主要原因，瀝青路面在使用期間經受交通荷載的反復作用，長期處于應力應變交迭變化狀態(tài)，致使路面結構強度逐漸下降。當荷載重復次數(shù)超過一定次數(shù)后，半剛性基層層底拉應力或拉應變就會導致路面出現(xiàn)裂紋，產生疲勞斷裂破壞。由室內小梁和中梁彎拉疲勞試驗和劈裂疲勞試驗結果整理得到的水泥穩(wěn)定粒料類劈裂方程為

式中:Nf是道路的使用壽命(以標準軸載計)，σ 是標準軸載作用下各穩(wěn)定類材料基層底面的水平拉應力，S 是材料極限劈裂強度(參考《瀝青路面設計規(guī)范》取0.4 MPa)。

圖3 基層底面拉應力

圖4 基層底面拉應力隨路基回彈模量的變化

分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1.0δ、1.5δ、2.0δ、2.5δ 處半剛性基層底面拉應力的大小，取路基回彈模量30 MPa。計算結果見圖3 所示。

由圖3 可知，基層底面的拉應力在雙圓荷載中心處取得最大值。以此點為控制點，通過計算進一步討論路基回彈模量對基層底面拉應力的影響，得到基層底面拉應力隨路基回彈模量的變化規(guī)律，并根據公式(1)對基層疲勞壽命進行計算，計算結果見表3 所示。

表3 不同路基回彈模量下基層底面拉應力及疲勞壽命計算值

由表3 可知，路基回彈模量從20 MPa 到100 MPa 的過程中:(1)基層底面拉應力降低了32.12%，隨著路基回彈模量的增大而對基層層底拉應力影響減弱。(2)疲勞壽命增加了259 倍，增加比較顯著。

2.3 路面剪應力的理論分析

在車輪橫向力的反復作用下，瀝青路面面層會產生剪應力。采用BISAR3.0 軟件，分析剪應力隨路基回彈模量的變化規(guī)律。在路基回彈模量30 MPa 下，分析距雙圓荷載中心0、0.5δ、1.0δ、1.5δ、2.0δ、2.5δ 處瀝青面層底面剪應力的大小。取摩擦系數(shù)f=0.3，計算深度h =10 cm，計算結果見圖5 所示。

圖5 不同距離處剪應力值

圖6 不同深度處剪應力值

由圖5 可知，在距雙圓荷載中心15.975 cm，即單圓荷載中心處，剪應力取得最大值。把此位置作為控制點，分析剪應力隨深度變化的值(層間結合狀態(tài)完全連續(xù))，計算結果如圖6 所示。由圖6 可知，路面最大剪應力出現(xiàn)在距路表6 cm左右，最大剪應力約0.23 MPa，當深度超過10 cm 后，最大剪應力隨深度的增加而顯著降低。當深度15 cm 時，剪應力已不足0.15 MPa，此時，剪應力對路面結構的影響較小。

以距雙圓荷載中心15.975 cm 處為控制點，進一步分析路基回彈模量對面層剪應力的影響，通過計算得到路面剪應力隨路基回彈模量的變化規(guī)律，結果見表4。

表4 不同路基回彈模量條件下面層剪應力計算值 MPa

剪應力是造成路面結構波浪、擁包、推擠的主要原因，為減低路面波浪、擁包、推擠等病害，通過計算分析可以看出:路基回彈模量從20 MPa 到100 MPa 的過程中，面層剪應力隨路基回彈模量的增大而增大，面層深度5 cm 處剪應力增加了5.12%，深度10 cm 處剪應力增加了5.14%，面層層底剪應力增加了9.91%，路面剪應力隨著路基回彈模量的增加而增加，但增加幅度比較小，由此可見，路基回彈模量對路面剪應力的影響較小。

3 結 論

基于彈性層狀體系理論的BISAR3.0 軟件，以典型半剛性基層瀝青路面結構方案為分析對象，研究了路基回彈模量變化對路表彎沉、基層底面拉應力、面層剪應力等路面結構設計控制參數(shù)以及對基層疲勞壽命的影響。通過分析得出以下主要結論:

(1)路基頂面變形占路表彎沉的80% ～90%，并且隨著路基回彈模量的增大而對路表彎沉值影響減弱，在路基回彈模量小于40 MPa 時，彎沉曲線較陡直，當回彈模量大于40 MPa后，彎沉曲線逐漸平緩。因此，建議新建道路的路基回彈模量以不小于40 MPa 為宜。

(2)路基回彈模量對基層的疲勞壽命影響顯著，延長道路使用壽命應提高路基回彈模量。

(3)路面最大剪應力出現(xiàn)在距路表6 cm 左右，當深度超過10 cm 后，最大剪應力隨深度的增加而顯著降低，路基回彈模量的變化對路面剪應力影響較小。

［1］中華人民共和國交通運輸部. 公路瀝青路面設計規(guī)范(JTG D50—2006)［S］.2006.

［2］《公路瀝青路面設計規(guī)范》編寫組.《公路瀝青路面設計規(guī)范》釋義手冊［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］黃曉明，趙永利，高英. 高速公路瀝青路面設計理論與方法［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］沙慶林.重載交通長壽命半剛性路面設計與施工［M］. 北京:人民交通出版社，2011.