馮學茂

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

目前，我國大部分高速公路采用半剛性基層瀝青路面。由于其材料性質(zhì)，半剛性基層瀝青路面不可避免地會產(chǎn)生溫度收縮或干縮開裂，引起面層反射裂縫，進而導致路面結(jié)構(gòu)破壞。混合式基層是對于中國常用的柔性基層及半剛性基層而提出的路面結(jié)構(gòu)形式。本文擬定3種混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，通過BISAR軟件進行路面應(yīng)力、應(yīng)變計算，研究不同混合式基層路面結(jié)構(gòu)的力學性能，以期為混合式基層瀝青路面的設(shè)計、施工及養(yǎng)護提供思路和方案。

1 混合式基層路面結(jié)構(gòu)方案計算參數(shù)

擬定三種混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為計算模型，材料參數(shù)參考相關(guān)規(guī)范推薦值。路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表1、表2。

表1 路面結(jié)構(gòu)類型表

表2 計算參數(shù)表

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)類型和計算參數(shù)的不同，荷載標準荷載模式的設(shè)計規(guī)范，即單軸雙套，單輪傳壓面當量圓直徑d=2、δ=21.3 cm，兩輪中心距離為1.5 d，軸荷載P=100 kN，輪胎地壓p=0.7 MPa，計算方案見圖1(a)。利用BISAR3.0彈性分層系統(tǒng)計算和分析軟件計算，假設(shè)夾層完全連續(xù)，在雙圓垂直均勻分布荷載作用下，最不利的應(yīng)力和應(yīng)變空間位置在道路橫斷面上，如圖1(b)所示。

2 力學特性分析

2.1 彎拉應(yīng)變、應(yīng)力分析

應(yīng)用BISAR3.0軟件進行計算，計算點位于雙圓中心處。各結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)變、應(yīng)力見表3、表4。

圖1 力學分析計算示意圖

表3 不同混合式基層瀝青路面彎拉應(yīng)變計算表

表4 不同混合式基層瀝青路面彎拉應(yīng)力計算表

圖2 不同混合式基層瀝青路面彎拉應(yīng)變沿路深對比圖

圖3 不同混合式基層瀝青路面彎拉應(yīng)力沿路深對比圖

由圖2、圖3可知：

(1)對三種混合基瀝青路面的彎拉應(yīng)變最不利位置在雙圓中心18 cm處，且以結(jié)構(gòu)二的彎拉應(yīng)變最大。中面層層底小范圍內(nèi)表現(xiàn)為壓應(yīng)變。三種瀝青路面結(jié)構(gòu)基層亦承受較大的彎拉應(yīng)變，結(jié)構(gòu)三由于底基層模量較小，其彎拉應(yīng)變最大，結(jié)構(gòu)一、二次之。因此，對于結(jié)構(gòu)三，其結(jié)構(gòu)下部材料對于抗彎拉能力的要求亦較高。

(2)三種結(jié)構(gòu)在瀝青層表面均出現(xiàn)拉應(yīng)力，但數(shù)量較小。結(jié)構(gòu)二的下面層為拉應(yīng)力，而結(jié)構(gòu)一、三表現(xiàn)為壓應(yīng)力。下基層、底基層表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且隨著深度的增加，拉應(yīng)力逐漸增大，其中結(jié)構(gòu)三的增幅最大?？梢娀旌鲜交鶎勇访娼Y(jié)構(gòu)二的抗拉開裂能力優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)。

2.2 豎向應(yīng)變、應(yīng)力分析

使用BISAR3.0軟件計算，計算點位于雙圓的中心。各結(jié)構(gòu)層層底的豎向應(yīng)變和應(yīng)力見表5和表6。

表5 不同混合式基層瀝青路面豎向應(yīng)變計算表

表6 不同混合式基層瀝青路面垂直應(yīng)力計算表

圖4 不同混合式基層瀝青路面豎向應(yīng)變沿路深對比圖

圖5 不同混合式基層瀝青路面垂直應(yīng)力沿路深對比圖

由圖4、圖5可知：

在雙圓中心，三種瀝青路面結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變、垂直應(yīng)力分布較為相似。從路表至基層，道路深度變大的同時，豎向壓應(yīng)變相應(yīng)地呈遞增狀態(tài)，且瀝青底部的壓應(yīng)變?yōu)樽畲螅渲薪Y(jié)構(gòu)二下面層底部壓應(yīng)變最大，達148.8×10-6。在基層內(nèi)部，豎向壓應(yīng)變隨道路深度的增加相應(yīng)逐漸減小。而三者應(yīng)力大小基本相同。

3 三種混合式基層瀝青路面綜合評價

(1)分析以上三種混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎拉應(yīng)力、應(yīng)變以及豎向應(yīng)力、應(yīng)變可知，結(jié)構(gòu)二的瀝青層底產(chǎn)生了較大的彎拉應(yīng)變、應(yīng)力，而結(jié)構(gòu)一、三次之，說明混合式基層結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三的抗裂能力要優(yōu)于結(jié)構(gòu)二。三種混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的路基頂面壓應(yīng)變、應(yīng)力基本相同，說明三種混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)整體抗變形能力相差不大。

(2)結(jié)構(gòu)二采用級配碎石作為上基層，由于級配碎石是一種松散的粒狀材料，它能承受壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，但不能承受拉伸應(yīng)力。當半剛性基底的裂縫向上擴散到分級砂礫層時，因為它是疏松的，半剛性底基層裂縫的應(yīng)力集中將沿著不同方向擴展，經(jīng)過一定厚度的均勻擴散，可逐漸消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而達到良好的防反射裂縫效果。與半剛性基層瀝青路面相比，使瀝青路面裂縫大為減少。

(3)級配碎石具有一定的吸水和排水功能，可以有效防止泥漿或砂漿的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)二以級配碎石為上基層，基本可以防止泥漿或漿液病害的產(chǎn)生，從而有效地避免了網(wǎng)絡(luò)裂縫和早期的水害。

(4)結(jié)構(gòu)一、三采用瀝青穩(wěn)定碎石作為上基層，增加了瀝青層的總厚度，這有助于降低瀝青層底部的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，有助于防止和延緩反射裂紋的產(chǎn)生。半剛性基座底部的收縮裂紋反射到瀝青表面，需要通過較厚的瀝青層，可以延緩裂紋的發(fā)生。

(5)結(jié)構(gòu)一、三有較厚的瀝青層，能有效延緩自由滲水時間，并能有效延緩“砂漿”或“泥漿”涌出瀝青路面結(jié)構(gòu)層的時間，早期能有效延緩網(wǎng)狀裂縫的開裂。

4 結(jié)語

基于BISAR軟件進行路面應(yīng)力、應(yīng)變計算可知，三種路面結(jié)構(gòu)中，整體抗變形能力相差不大，結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三的抗裂能力要優(yōu)于結(jié)構(gòu)二。結(jié)構(gòu)三由于底基層模量較小，對抗彎拉能力的要求亦較高。結(jié)構(gòu)二采用級配碎石作為上基層，其應(yīng)力擴散能力、排水功能和吸水功能較強，可有效防止反射裂縫、網(wǎng)狀裂縫和早期水損壞的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)一、三具有較厚的瀝青層，亦可延緩反射裂縫的產(chǎn)生以及延緩早期網(wǎng)狀裂縫的產(chǎn)生。三種結(jié)構(gòu)各有特點，在進行路面設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際需求合理選擇路面結(jié)構(gòu)，以提高路用性能。