宋志峰，劉海鵬，蔣應(yīng)軍

(1.陜西省交通建設(shè)集團，陜西西安 710075；2.長安大學(xué)教育部特殊地區(qū)公路工程重點實驗室，陜西西安 710064）

0 引言

級配碎石柔性基層作為一種古典的路面結(jié)構(gòu)，國外已廣泛應(yīng)用于路面基層與底基層，國內(nèi)則較少應(yīng)用，除了受“強基薄面”思想的影響外，更重要的是對級配碎石柔性基層力學(xué)性狀及工程性質(zhì)認識的不足。為了滿足新形勢下的交通發(fā)展需求，豐富我國公路路面結(jié)構(gòu)的形式，深入研究并揭示級配碎石物理力學(xué)特性具有的工程實際意義。

級配碎石屬顆粒性材料，具有明顯的顆粒性結(jié)構(gòu)特征和非線性力學(xué)特性，其物理力學(xué)特性復(fù)雜。目前，相關(guān)研究主要集中在級配碎石材料的力學(xué)特性和穩(wěn)定性、級配組成設(shè)計方法及試驗路觀測等方面，而涉及級配碎石柔性基層瀝青路面非線性力學(xué)響應(yīng)的研究相對較少。鑒于此，筆者就瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量3個路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，對級配碎石柔性基層瀝青路面進行非線性力學(xué)響應(yīng)分析，旨在明確級配碎石柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層位功能，為結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

1 基本理論

級配碎石基層瀝青路面力學(xué)模型為層狀體系理論：假定各層都是由均質(zhì)、各向同性的彈性材料組成；土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，其上的各層厚度均為有限，但在水平方向為無限；上層表面作用著軸對稱圓形均布垂直荷載；層間接觸面假定為完全連續(xù)[2]?？紤]到級配碎石為非線性材料，材料模量隨著應(yīng)力而變化，即碎石層的各點隨著結(jié)構(gòu)深度的不同模量也不同，本文采用非線性路面力學(xué)分析軟件——KENPAVE，探討級配碎石柔性基層瀝青路面力學(xué)響應(yīng)。為了描述級配碎石層的非線性特征，首先假設(shè)其彈性模量，并用層狀理論求得應(yīng)力，根據(jù)非線性模型，確定新的模量值，并計算新的一組應(yīng)力，重復(fù)這個過程，直至兩次相鄰迭代的模量接近于某個規(guī)定的精度為止[3]。

2 計算模型與計算參數(shù)

以雙輪組單軸載100kN、150kN、200kN為計算軸載，簡化為雙圓均布荷載的輪載半徑分別為10.65cm、12cm、13.26cm，接地壓力分別為0.7MPa、0.829MPa、0.906MPa。計算簡圖見圖1，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)見表1。

圖1 計算模型

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)

3 路面非線性力學(xué)響應(yīng)計算結(jié)果與分析

3.1 瀝青面層最大剪應(yīng)力

瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量對瀝青面層最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律見圖2～圖4。

圖2 瀝青面層厚度對瀝青面層最大剪應(yīng)力的影響

圖3 級配碎石基層厚度對瀝青面層最大剪應(yīng)力的影響

圖4 級配碎石基層模量對瀝青面層最大剪應(yīng)力的影響

由圖2～圖4可以看出，瀝青面層厚度為9cm時，面層最大剪應(yīng)力水平最高；級配碎石基層厚度為30cm時，面層最大剪應(yīng)力水平最低；面層最大剪應(yīng)力隨級配碎石基層模量的增大而降低，級配碎石模量由300MPa增至600MPa，即提高2倍，瀝青面層最大剪應(yīng)力減小170～200kPa，約降低38%以上。

綜上可知，面層厚度9cm為瀝青面層剪應(yīng)力最不利厚度；基層厚度30cm為瀝青面層剪應(yīng)力最佳厚度；增加基層模量可降低瀝青面層剪應(yīng)力，以防止瀝青面層車轍破壞。

3.2 瀝青面層層底應(yīng)力

瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量對瀝青面層層底應(yīng)力的影響規(guī)律見圖5～圖7。其中，瀝青面層層底應(yīng)力正值為壓，負值為拉。

圖5 瀝青面層厚度對瀝青面層層底應(yīng)力的影響

圖6 級配碎石基層厚度對瀝青面層層底應(yīng)力的影響

圖7 級配碎石基層模量對瀝青面層層底應(yīng)力的影響

由圖5～圖7可以看出，面層厚度為12cm時，瀝青面層層底拉應(yīng)力水平最高；級配碎石基層厚度為30cm時，瀝青面層層底拉應(yīng)力水平最低；瀝青面層層底拉應(yīng)力隨級配碎石基層模量的增大而降低，且逐漸由受拉狀態(tài)向受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化，級配碎石模量由300MPa增至600MPa，即提高2倍，瀝青面層層底拉應(yīng)力減小450~500kPa。

綜上可知，面層厚度12cm為瀝青面層層底拉應(yīng)力最不利厚度；基層厚度30cm為瀝青面層層底拉應(yīng)力最佳厚度；增加基層模量可降低瀝青面層剪應(yīng)力，以防止瀝青面層疲勞破壞。

3.3 級配碎石基層最大剪應(yīng)力

瀝青面層厚度、級配碎石基層厚度和模量對級配碎石基層最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律見圖8～圖10。

圖8 瀝青面層厚度對級配碎石基層最大剪應(yīng)力的影響

圖9 級配碎石基層厚度對級配碎石基層最大剪應(yīng)力的影響

圖10 級配碎石基層模量對級配碎石基層最大剪應(yīng)力的影響

由圖8～圖10可以看出，級配碎石基層最大剪應(yīng)力隨瀝青面層厚度的增大而降低，面層厚度由5cm增至15cm，即提高3倍，剪應(yīng)力減少100~150kPa，即降低40%以上；基層剪應(yīng)力隨其厚度的增大而增大，基層厚度由20cm增至60cm，即提高3倍，剪應(yīng)力增加5~10kPa，提高不足3%；隨著級配碎石模量的增大，級配碎石基層最大剪應(yīng)力相差10~20kPa，即相差不超過7%，說明級配碎石基層厚度和模量對其剪應(yīng)力影響不顯著。

綜上可知，增加面層厚度、減小基層厚度和增加基層模量可降低基層剪應(yīng)力，以防止級配碎石基層剪切破壞。

4 結(jié)論

（1）瀝青面層厚度增大，級配碎石基層最大剪應(yīng)力降低，且面層厚度為9cm時面層剪應(yīng)力最不利，12cm時面層層底拉應(yīng)力最不利。

（2）級配碎石基層厚度對基層剪應(yīng)力的影響不顯著，且當(dāng)基層厚度為30cm時，瀝青面層剪應(yīng)力、層底拉應(yīng)力出現(xiàn)最小值，因此，建議級配碎石基層厚度為30cm。

（3）級配碎石模量增大，瀝青面層最大剪應(yīng)力、層底拉應(yīng)力和基層最大剪應(yīng)力均有不同程度降低。因此，應(yīng)設(shè)法提高級配碎石模量，以防止瀝青面層疲勞破壞和車轍破壞。

[1] 鄧學(xué)鈞，黃曉明.路面設(shè)計原理與方法[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 黃仰賢，余定選，齊誠譯.路面分析與設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3] 李浩.級配碎石基層瀝青路面力學(xué)性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[4] 袁峻.級配碎石基層性能與設(shè)計方法的研究[D].南京：東南大學(xué)，2004.

[5] 何敏.級配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特性研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[6] 李海遠，鄭傳超.級配碎石墊層瀝青路面非線性分析及模量研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2005，24（5）：29-38.

[7] 韋金城，王林，艾貽忠.不同結(jié)構(gòu)組合瀝青路面設(shè)計及力學(xué)響應(yīng)分析[J].中外公路，2006，26（2）：75-78.