趙殿鵬，楊 平，張 豪

(1．南京林業(yè)大學土木工程學院，南京210037;2．浙江省交通運輸廳工程質量監(jiān)督局，杭州311215;3．浙江工業(yè)大學，杭州310012)

我國公路瀝青路面設計規(guī)范［1］中是假設各結構層間完全連續(xù)，然而，在實際使用過程中，因路面整個結構層材料屬性不同、施工先后不同、路面表面的充分壓實和層間污染等問題［2］，層間界面接觸狀態(tài)十分復雜，瀝青面層層間、面層與基層層間、基層與底基層層間、底基層與土基之間只能通過不同的接觸傳遞應力［3］。因此，路面的實際工作狀態(tài)與瀝青路面的設計理論不相符合，導致瀝青路面力學響應與層間完全連續(xù)狀態(tài)時的假定不同，而層間結合條件對路面結構的應力應變影響很大，進而會直接影響瀝青路面的疲勞性能。相關文獻研究發(fā)現(xiàn)，瀝青路面結構層間狀態(tài)與其力學響應和病害的出現(xiàn)有密切關系［4-5］。趙桂娟等分析了不同水平荷載和面基層間接觸狀態(tài)對瀝青路面結構剪應力的影響［6］;倪富建等運用有限元分析法研究了不同基-面層間粘結狀態(tài)下路面結構力學響應［7］;龔紅仁研究了層間狀態(tài)對瀝青路面疲勞開裂與位移的影響［8］;劉春雨等通過室內試驗研究了不同基層間接觸狀態(tài)下半剛性基層抗裂性能發(fā)現(xiàn)，層間粘結越差半剛性基層抗裂性能越弱［9］。上述研究主要集中于理論分析瀝青路面面層-面層之間、基層-面層之間的層間粘結狀態(tài)對路面性能的影響，或者通過室內試驗研究水穩(wěn)基層間粘結性能及其抗剪強度等指標，并未從力學理論上揭示基層層間狀態(tài)對瀝青路面的疲勞性能影響規(guī)律。

為分析半剛性基層間粘結狀態(tài)對瀝青路面疲勞性能的影響，本文基于彈性層狀體系理論，利用BISAR程序中剪切彈性柔量AK表征雙層半剛性基層的層間粘結狀態(tài)，分析瀝青路面彎沉、層底拉應力和剪應力隨AK的變化規(guī)律;研究半剛性基層層間粘結狀態(tài)對路面結構疲勞性能的影響，并通過基層單對數(shù)疲勞方程研究分析瀝青路面的疲勞性能。

1 計算模型與計算參數(shù)

1．1 計算模型

半剛性基層瀝青路面是一種多層彈性體系，本文以水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層為研究對象，除了層間結合狀況通過BISAR程序中的剪切彈性柔量表征外，其它均采用層狀彈性體系假設。計算坐標以車輛行駛的反方向為X軸(即水平力的作用方向)，車軸方向作為Y軸，深度方向作為Z軸，如圖1所示。

圖1 路面結構受荷簡化模型Fig．1 Simplified Model of Pavement Structure Under the Load

1．2 計算參數(shù)

為了對水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面進行路面力學分析，需要先確定路面結構參數(shù)，包括:軸載、面層模量、面層厚度、基層模量、基層厚度、地基模量及各結構層泊松比等。

1．2．1 軸 載

采用我國公路瀝青路面設計規(guī)范的標準軸載(BZZ-100)，主要參數(shù)見表1。

表1 標準軸載計算參數(shù)Tab．1 Basic Parameters of Standard Axle Load

1．2．2 結構參數(shù)

車輛在行駛過程中，除對路面施加垂直載荷外，還存在加減速過程中車輪胎與地面之間的水平摩擦作用力，本文采用摩擦系數(shù)f=0．5時對應的水平力，路面結構力學計算參數(shù)依據(jù)道路設計常用數(shù)據(jù)手冊［9］，見表2。

表2 路面結構參數(shù)Tab．2 Parameters of Pavement Structure

2 表征參數(shù)

2．1 基層層間狀態(tài)表征參數(shù)

本文采用SHELL設計程序BISAR軟件中的剪切彈性柔量AK表示層間粘結狀態(tài)，剪切彈性柔量的定義式:

式中:AK為剪切彈性柔量，m3/N;μ為層間相對水平位移，m;σ0為表面應力，Pa。

基層層間接觸狀況采用摩擦參數(shù)?表征，?與AK的關系:

式中:v為對應結構層泊松比;E為結構層的模量，MPa;a為車輪荷載半徑，m。

由上式可知，AK越小，則?越小，層間粘結越好;AK越小則?越大，層間粘結越差。當AK=0時，層間為完全粘結狀態(tài);AK=∞時，層間為完全光滑狀態(tài)?？紤]到路面的破壞主要是彎拉應力和剪切破壞，?值分別取 0、0．2、0．4、0．6、0．8 和1．0。分析路表彎沉值、層間剪切應力和層底彎拉應力隨?的變化，以此考察不同基層層間接觸狀態(tài)對路面結構力學響應和疲勞性能的影響。根據(jù)表2給定的計算參數(shù)，表3給出了?與簡化剪切彈性柔量ALK的對照表。

表3 摩擦參數(shù)與簡化剪切彈性柔量值對照表Tab．3 Friction Parameter and Simplified Shear Elasticity Soft Value

2．2 疲勞壽命表征參數(shù)

影響半剛性基層瀝青路面破壞的主要應力分量包括 σx、σy、σz、τxz和 τyz等，其中 σx、σy取正值時代表彎拉應力，引起瀝青路面結構開裂破壞;σz取正值時表征層間的拉應力，可以引起層間拉脫破壞;τxz和τyz表示層間剪切應力，可以引起層間剪切破壞。本文參照《瀝青路面設計指標和參數(shù)研究專題報告一:無機結合料穩(wěn)定類基層疲勞損壞預估模型研究》［11］中在無機結合料穩(wěn)定類基層材料疲勞性能現(xiàn)場ALF試驗的基礎上，提出的室內疲勞壽命預估模型與實際路面疲勞損壞之間的聯(lián)系的水泥穩(wěn)定碎石基層材料疲勞損壞預估模型:

式中:Nf為疲勞壽命，次;σf為彎拉應力，MPa;σs為抗彎拉強度，MPa。

3 結果與分析

3．1 基層層間狀態(tài)對其疲勞壽命的影響

表4中數(shù)據(jù)表示基層層間狀態(tài)對水泥穩(wěn)定碎石半剛性上基層和底基層疲勞壽命的影響。從表4中可以看出:不論是上基層還是下基層，水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的疲勞壽命均隨?的增大而降低。且當層間粘結狀態(tài)較好(?≤0．8)時，下基層的疲勞壽命遠遠小于上基層的疲勞壽命;但當層間完全光滑(?=1．0)時，由于上、下基層層間的彎拉應力不能有效傳遞，上基層疲勞壽命僅為1．91×106次，遠遠小于下基層的疲勞壽命5．11×106次，上基層的疲勞壽命僅為下基層疲勞壽命的37．4%。

表4 對基層疲勞壽命(106次)的影響Tab．4 Impacts of on base fatigue life

為了量化分析對上、下基層層間粘結狀態(tài)對疲勞壽命的影響，圖2給出了不同層間粘結狀態(tài)條件下，半剛性基層瀝青路面上、下基層疲勞壽命相對于層間完全連續(xù)時的衰減率。

圖2 基層疲勞壽命隨?的衰減率(與層間完全連續(xù)狀態(tài)相比)Fig．2 Decrease rate of base course fatigue life vs．?(Compared with completely continuous interlayer state)

由圖2可以看出:不同的層間粘結狀態(tài)(?)對疲勞壽命的影響程度存在顯著差異。下基層疲勞壽命對上、下基層層間狀態(tài)敏感性差，與層間完全連續(xù)狀態(tài)(?=0)相比，完全光滑狀態(tài)(?=1)的疲勞壽命僅降低了27．74%。然而，上基層疲勞壽命對上、下基層層間狀態(tài)敏感性顯著，與層間完全連續(xù)狀態(tài)(?=0)相比，完全光滑狀態(tài)(?=1)的疲勞壽命的降幅高達了90．31%。由此說明，水穩(wěn)基層間狀態(tài)良好時，上面層不會首先疲勞開裂，而疲勞破壞會從下基層向上發(fā)展傳遞;但是水穩(wěn)基層間狀態(tài)很差時，疲勞破壞首先發(fā)生在上基層。

3．2 層底彎拉應力分析

圖3為不同層間接觸狀態(tài)下輪載中心正下方各層底的最大拉應力分布圖，其中正為受拉，負為受壓。從圖3中可以看出:隨?的增大，各層底的拉應力出現(xiàn)不同程度的增長:在不同的層間接觸狀態(tài)下，面層層底皆為壓應力，且其應力大小相對穩(wěn)定;最大拉應力基本出現(xiàn)在下基層底，其大小也相對穩(wěn)定，變化幅度在10%以內;上基層底最大拉應力雖然相對底基層層底小一些，但是其增幅遠遠超過了下基層底最大拉應力增幅，當?大于0．8時，上基層底大于下基層底的拉應力。在基層間完全光滑狀態(tài)下，上基層底最大拉應力達到了0．265MPa，是完全連續(xù)狀態(tài)時的5．7倍。

圖3 不同?狀態(tài)下各層底拉應力Fig．3 Tensile Stress at Each Bottom vs．?

3．3 層間剪應力分析

圖4給出了半剛性基層瀝青路面各結構層層底最大剪應力隨摩擦參數(shù)?的變化圖。

圖4 不同?狀態(tài)下最大剪應力Fig．4 Maximum Shear Stress at Each Bottom at different?

由圖4可見，層底剪應力隨深度增加呈顯著降低趨勢，面層層底是底基層層底剪應力的2倍。各結構層底剪應力水平隨著?增大而出現(xiàn)大幅增長，從完全連續(xù)狀態(tài)到完全光滑狀態(tài)，上基層底的最大剪應力增幅最大為31%，面層底最大剪應力增長了25%，而下基層底的最大剪應力增幅為12%。該結果可以很好地解釋道路層間粘結力衰減過程。道路使用初期層底的剪應力水平較低，在垂直和水平荷載的作用下，各層間的粘結力因剪應力的出現(xiàn)而有不同程度的削減，當層間粘結惡化時各層底的剪應力水平增大，如此反復，形成惡性循環(huán)，最后使層間接近光滑狀態(tài)。因此，提高良好的層間接觸狀態(tài)能夠使路面結構各應力重新分布，降低層間剪應力水平和出現(xiàn)層間滑移的可能性，保證了道路結構的力學穩(wěn)定性。

4 結論

(1)水穩(wěn)基層間狀態(tài)良好時，上面層不會首先疲勞開裂，而疲勞破壞會從下基層向上發(fā)展傳遞;但是水穩(wěn)基層間狀態(tài)很差時，疲勞破壞首先發(fā)生在上基層。

(2)當層間完全光滑(?=1．0)時，上、下基層層間的彎拉應力不能有效傳遞，上基層疲勞壽命僅為下基層疲勞壽命的37．4%。

(3)基層間接觸不良時，路面結構在車輪荷載的作用下應力水平大幅度提高?；鶎娱g完全光滑狀態(tài)下，上基層底最大拉應力是完全連續(xù)狀態(tài)時的5．7 倍。

(4)半剛性基層瀝青路面各結構層底的剪應力隨著?增大而增大。基層層間狀態(tài)從完全連續(xù)狀態(tài)到完全光滑狀態(tài)，上基層底的最大剪應力增幅最大為31%，面層底最大剪應力增長了25%，而下基層底的最大剪應力增幅為12%。

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