陳文強(qiáng)，王清華，龔芳媛

(1.貴州省安順市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，貴州 安順 561000; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

目前我國大多數(shù)的高速公路采用的是半剛性基層。早先提出的“強(qiáng)基薄面”的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計思路也一直在沿用。但是在工程實際中，這種傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一系列的問題:沖刷、唧漿、龜裂和坑槽;路面裂縫;車轍、壅包;面層與基層分離等［1］。在這些病害中，最為普遍的是裂縫。對于半剛性基層而言，反射裂縫是對道路路面危害最大的一種病害。反射裂縫不僅僅對基層產(chǎn)生致命性病害，也對面層產(chǎn)生很大的危害［2］。鑒于以上原因，現(xiàn)在國內(nèi)外對柔性基層開展了大量的研究。廣泛的研究表明:柔性基層可以在很大的程度上減少水毀壞;柔性基層穩(wěn)定性好，基本上不會產(chǎn)生反射裂縫;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于不會產(chǎn)生反射裂縫，當(dāng)瀝青路面出現(xiàn)裂縫病害時，只需要對瀝青面層進(jìn)行維護(hù)，而不必從基層開始，這樣可以減少工程量、減少工期、極大地減少運營和維護(hù)成本，并對交通的影響降到最低［3，4］。

當(dāng)瀝青路面采用級配碎石材料時，會為上面的結(jié)構(gòu)層提供一個良好的施工層，同時能夠阻止上面結(jié)構(gòu)層的水下滲和排水的作用，在開放交通后在車輛荷載作用下不會產(chǎn)生較大的永久變形，一般也不會發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)［3］。

我國的瀝青路面設(shè)計方法不同于美國的AI 法、SHRP 法、經(jīng)驗法等，主要采用力學(xué)－經(jīng)驗法。我國的瀝青路面設(shè)計指標(biāo)采用彎沉值和結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力。在設(shè)計規(guī)范中指出，各材料的抗壓回彈模量是瀝青路面設(shè)計的主要設(shè)計參數(shù)，并且認(rèn)為級配碎石可以作為各等級公路的基層，表1是其取值范圍。

表1 規(guī)范規(guī)定的模量

當(dāng)作為基層材料時，如果瀝青層模量為1 200 MPa，其與級配碎石的模量比在3.4～6 之間，這樣會極大地增加層底拉應(yīng)力，會使級配碎石的厚度大大增加，使造價增高。相關(guān)實驗證明，級配碎石在行車荷載作用下會產(chǎn)生塑性變形，即表現(xiàn)為路表車轍，這將會影響行車安全。那么在瀝青路面設(shè)計中一定要著重注意彎沉值的計算。哈工大的王龍等認(rèn)為當(dāng)級配碎石的彈性模量較低時，這會對彎沉值產(chǎn)生比較大的影響，當(dāng)級配碎石的模量大于500 MPa 時，級配碎石模量的影響因素會減少［5］。

1 層底拉應(yīng)力與級配碎石厚度的影響

現(xiàn)行的規(guī)范以層底拉應(yīng)力作為驗算指標(biāo)，以防止疲勞破壞。當(dāng)瀝青道路采用級配碎石作為基層或者底基層時，面層的模量會普遍的高于基層，為了控制面層的裂縫，必須進(jìn)行層底拉應(yīng)力的驗算。相關(guān)實驗表明:重復(fù)使用的拉應(yīng)力與混合料的勁度模量的比值，也就是拉應(yīng)變，可以再影響瀝青路面的疲勞壽命。我國設(shè)計規(guī)范中采用的疲勞方程，以拉應(yīng)力δt代替拉應(yīng)變 εt:Nf=aσ－bt 。規(guī)范認(rèn)為Nf=1 的拉應(yīng)力為極限抗拉強(qiáng)度，把ft代入疲勞方程換算從而得出抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)ks公式:

式中:ft為極限抗拉強(qiáng)度;σr為容許拉應(yīng)力;f 為試驗參數(shù)。

本文依托我國吉林省通化某條試驗路，在此基礎(chǔ)上選擇我國高速公路常用的路面結(jié)構(gòu)層厚度，建立在標(biāo)準(zhǔn)荷載(BZZ－100)作用下級配碎石與層底拉應(yīng)力的關(guān)系。

1.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)對該試驗路的研究，基層的要求厚度為30～40 cm，在計算中取值為35 cm。瀝青面層采用上面層5 cm，中面層6 cm，下面層8 cm。在計算過程中，假定級配碎石考慮彈塑性，其他各層均認(rèn)為彈性。瀝青層各層的彈性模量均參考我國瀝青路面的設(shè)計規(guī)范。針對該試驗路，級配碎石彈性模量的取值400 MPa。考慮到材料的彈塑性，采用Drunker-Prager 屈服準(zhǔn)則。具體參數(shù)如圖1。泊松比除土基選用0.35 外，其他均采用0.25。

圖1 計算圖示

采用ABAQUS 軟件進(jìn)行計算，具體參數(shù)設(shè)置如下:

X、Y 方向均為5 m，Z 方向為各層的厚度，行車方向與X 軸平行。各層之間假定為層間完全接觸，且不發(fā)生滑動。底面上的X、Y、Z 軸位移均為0。荷載條件采用我國道路設(shè)計規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)荷載(BZZ－100)。道路三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 計算結(jié)果

為探究層瀝青層底拉應(yīng)力與級配碎石厚度的關(guān)系，級配碎石的厚度分別取值為 h4=10，15，20，25，30 cm，用ABAQUS 分別進(jìn)行計算。計算結(jié)果如表2和圖3所示。

圖2 三維道路結(jié)構(gòu)模型

表2 層底最大拉應(yīng)變計算結(jié)果

圖3 瀝青層層底最大拉應(yīng)變與厚度之間的關(guān)系

1.3 瀝青層底最大拉應(yīng)力計算模型

將上圖的最大拉應(yīng)變εm與級配碎石厚度h 之間進(jìn)行分析，得到如下的關(guān)系:

得到的相關(guān)系數(shù)R2=0.971。

在模量已知的情況下，則層底最大拉應(yīng)力為:

那么瀝青層層底最大拉應(yīng)力為:

由上分析可以得知:

1)瀝青層層底拉應(yīng)變與級配碎石厚度有著很高的相關(guān)性，兩者之間并不是線性關(guān)系，而是呈一種冪指數(shù)關(guān)系。在已知彈性模量的情況下，隨著級配碎石厚度h 的增大，瀝青層層底最大拉應(yīng)力σmax會隨著增大。

2)分析圖3可知，瀝青層層底最大拉應(yīng)變的變化率在15 cm 左右處出現(xiàn)突變，以后的變化率變大且保持基本不變。15 cm 以前的層底拉應(yīng)變增長不大，而15 cm 拉應(yīng)變隨厚度的增加而快速增長。

3)通過分析該式可知，瀝青層層底最大拉應(yīng)力σmax不僅僅由級配碎石厚度h 決定，彈性模量E 也有作用，而且在計算瀝青層層底最大拉應(yīng)力時應(yīng)通過反復(fù)計算比較級配碎石厚度h 與彈性模量E 之間的關(guān)系進(jìn)行確定。

4)通過以上計算式，利用已知的級配碎石厚度可得的層底最大拉應(yīng)變，再利用彈性模量進(jìn)而可以得到最大拉應(yīng)力σmax。

5)由圖3分析可知，由于級配碎石的模量較低，當(dāng)級配碎石的厚度增加后，瀝青層底拉應(yīng)力也會增加，同時其下伏的半剛性基層對其的支撐也相應(yīng)降低。

6)級配碎石在此道路結(jié)構(gòu)中作為反射裂縫抑制層與應(yīng)力吸收層，防止半剛性基層的反射裂縫向上擴(kuò)散到路面［6］。但是級配碎石的厚度增加會使其承受更大的應(yīng)力，從而會造成級配碎石層的破壞。所以，綜合考慮，級配碎石的厚度要控制在15 cm 范圍以內(nèi)。

1.4 瀝青層底最大拉應(yīng)力與級配碎石模量之間的關(guān)系

由以上的計算式可知，層底最大拉應(yīng)力與級配碎石模量有一定的關(guān)系。所以探討層底最大拉應(yīng)力與模量的關(guān)系。取級配碎石厚度15 cm，級配碎石模量取值為 200、300、400、500、600 MPa。計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 拉應(yīng)力與級配碎石模量關(guān)系

分析圖4可知，層底拉應(yīng)力與級配碎石模量有較大的關(guān)系，層底拉應(yīng)力隨著級配碎石的模量增大而減小。大量的實驗證明，級配碎石的模量越大越有好處，模量越小，層底拉應(yīng)力即有可能達(dá)到極限值。因此，有關(guān)資料證明，要滿足使用要求，級配碎石的模量一般要求大于400 MPa 以上。因此，應(yīng)采用優(yōu)良的級配碎石材料，以增大其模量，以減少瀝青面層層底疲勞破壞［7］。

2 彎沉值與級配碎石厚度的關(guān)系

路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉是道路設(shè)計中非常重要的設(shè)計指標(biāo)之一。彎沉值越大的路面，越容易受到破壞。路表彎沉值作為設(shè)計指標(biāo)能夠從總體結(jié)構(gòu)與宏觀方向控制路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限內(nèi)工作情況［8］。

2.1 參數(shù)設(shè)置

針對該試驗路，利用BISAR3.0 軟件，計算h =10，15，20，25，30 cm 的彎沉值。其彈性模量均取400 MPa，其各項參數(shù)均沿用表1的數(shù)據(jù)。

2.2 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表3和圖5。

表3 彎沉值計算結(jié)果

圖5 級配碎石厚度與彎沉值之間的關(guān)系

2.3 彎沉值模型建立

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理計算后得到的關(guān)系為:

通過分析表3和圖5可以得到:①路表彎沉值與級配碎石厚度具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.955;②隨著級配碎石厚度的增加，路表彎沉值增加。說明級配碎石厚度的增加，會影響道路的使用壽命;③圖5中，彎沉值隨厚度增加而增大，但增大的幅度很小，表明級配碎石達(dá)到一定的強(qiáng)度后，路表彎沉值會基本不變;④彎沉值增加的原因可能是，級配碎石過厚會承擔(dān)部分應(yīng)力，致使級配碎石發(fā)生變形，從而導(dǎo)致路表彎沉值的增加;⑤綜上，為防止路面的彎沉值過大，級配碎石的厚度要嚴(yán)格控制，有研究認(rèn)為級配碎石的厚度在10～20 cm 是合適的［9，10］。那么結(jié)合級配碎石厚度與瀝青層底最大拉應(yīng)力的關(guān)系，可以進(jìn)一步縮小范圍，級配碎石的厚度取為10～15 cm。

2.4 彎沉值與級配碎石模量之間的關(guān)系

取級配碎石厚度15 cm，級配碎石模量取值為200、300、400、500、600 MPa。計算結(jié)果見圖6。

圖6 彈性模量與彎沉值之間的關(guān)系

由圖6可知，彎沉值隨彈性模量的增加而減小，但是減小的幅度并不大。說明彈性模量并不是影響彎沉值的主要因素。

3 總結(jié)

通過以上對瀝青層底最大拉應(yīng)力和彎沉值跟級配碎石厚度的計算可得到如下結(jié)論:

1)瀝青層底拉應(yīng)力和彎沉值均與級配碎石的厚度具有良好的相關(guān)性。二者均能反映級配碎石厚度在設(shè)計中的合理性。

2)瀝青層底拉應(yīng)力隨著厚度的增加而增加，但是小于15 cm 時增加幅度不大。因此，柔性基層作為半剛性基層過渡層時，其厚度應(yīng)該控制在15 cm以下;結(jié)合彎沉值的影響，認(rèn)為級配碎石的厚度在10～15 cm 是適宜的。

3)彎沉值也隨著厚度增加而增加，但是增加的幅度并不是很大。

4)級配碎石的彈性模量與兩者均有較好的關(guān)系，模量越大越有利于減小彎沉值。

本文僅僅考慮了主要的設(shè)計指標(biāo)，并未考慮其他設(shè)計參數(shù)對級配碎石的影響，相應(yīng)研究會在以后展開。

［1］鄧學(xué)鈞.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］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.

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［4］李 君.高等級公路柔性基層(級配碎石)的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2004.

［5］王 龍，孟書濤，徐全亮.級配碎石基層的設(shè)計參數(shù)研究［J］.公路交通科技，2006(8).

［6］袁 峻，黃曉明.級配碎石夾層半剛性底基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析［J］.中南公路工程，2006(4).

［7］魯華征.級配碎石設(shè)計方法研究［D］.西安:長安大學(xué)，2006.

［8］徐云晴.級配碎石基層級配設(shè)計與應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2010.

［9］楊 波.高等級瀝青路面柔性基層研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2006.

［10］孟書濤.瀝青路面合理結(jié)構(gòu)的研究［D］.南京:東南大學(xué)，2005.