吳奇帆

（中建南方投資有限公司 深圳 518022）

0 引言

瀝青路面的破壞形式主要包括裂縫、坑槽等，其中裂縫是瀝青路面最為主要的病害形式。依據(jù)裂縫產(chǎn)生根原劃分類型，可將其分為非荷載、荷載類型兩類。對于荷載型裂縫，其產(chǎn)生原因大多是反復車輛荷載下，瀝青路面的比面層更易產(chǎn)，開裂破壞將在基層底部迅速展開，致使路面出現(xiàn)反射裂紋。

國內外專家學者就瀝青路面裂縫的形式和變化機理開展了較多的研究。Jiwon Kim 等人［1］利用有限元計算，發(fā)現(xiàn)對路面微裂縫產(chǎn)生貢獻最大的是汽車輪胎邊緣荷載所產(chǎn)生的拉應力，而溫縮應力使微裂縫擴展成由上而下的縱向裂縫。李清富等人［2］基于路面結構的三維有限元模型，通過計算發(fā)現(xiàn)路面的表層是結構分布最集中處，導致半剛性路面產(chǎn)生裂縫的主要原因正是最大剪切應力大于瀝青混合材料抗剪強度。瀝青路面的破壞除了與荷載、溫度有關，還受到路面結構間層的粘結狀態(tài)的影響。朱耀庭等人［3］結合Godman模型分析了路面結構間層粘結狀態(tài)，基于BISAR3.0路面結構軟件對互異粘結狀態(tài)下的路面結構受力情況進行了計算和對比分析，發(fā)現(xiàn)瀝青面層的疲勞壽命大幅下降與層間粘結的脫離有緊密聯(lián)系，持續(xù)豎向荷載作用下，將增加90%。Lubinda 等人［4］的研究表明，層間粘結情況與路面受荷破壞程度有重要關系，路面結構內的相關力學指標（應力、應變等）受到粘結狀態(tài)影響，瀝青磨耗層縱向、橫向拉應變增加。彭妙娟等人［5］利用有限元軟件計算不同粘結狀態(tài)下瀝青路面結構的力學特性，結果表明持續(xù)荷載增加的情況下，路面結構車轍變形程度與層間粘結狀態(tài)優(yōu)劣呈正相關影響。目前，國內高速公路大多采用半剛性基層瀝青路面，其材料特性決定了在使用過程中不可避免產(chǎn)生溫度收縮和干縮開裂，進而致使路面破壞。而復合式、瀝青路面的投入，又使得路面結構具有良好的承載變形性能。有別于不同的路面結構形式，三種瀝青路面所表現(xiàn)的路面性能、耐久性均不相同，有必要對三者的結構力學變形特性進行深入研究。

鑒于此，本文選用公路工程瀝青路面常用的路表彎沉和層間彎拉應力作為研究指標，基于BISAR3.0路面計算軟件，針對半剛性、復合式、柔性基層瀝青路面不同結構構建分析模型，研究不同路面結構的瀝青路面力學指標（彎沉值、拉彎應力和應變）的變化規(guī)律，可為瀝青路面結構選取與施工設計提供更為準確和完善的參考依據(jù)。

1 典型瀝青路面結構及參數(shù)選擇

三種典型的瀝青路面結構形式如表1所示，依據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范：JTG D50-2006》要求，選取路面材料的設計參數(shù)，泊松比可選取美國規(guī)范中SHRP LTPP 的推薦值［1］。

表1 不同典型瀝青路面結構分層和參數(shù)選擇Tab.1 Structure Layering and Parameter Selection of Different Typical Asphalt Pavement

路面計算荷載采用國家現(xiàn)行規(guī)范BZZ-100 標準軸載，按照雙輪垂直設置均布荷載來構建層狀路面結構，單輪傳壓面當量圓直徑為21.3 cm，輪胎觸地壓強為 0.7 MPa，雙圓中心距位 1.5d cm［6-8］。假設計算過程中路面?zhèn)€結構層間完全連續(xù)，X 方向為路面橫斷面方向，Y 方向為行車方向，Z 方向為路面結構深度方向。雙輪垂直施加荷載時（不考慮輪胎對地面的水平作用），此時路面結構受力最不利的區(qū)域必定在X-Z 平面上。因此，在模型分析時，以該平面為研究對象計算X-Z 平面內應力、應變及豎向變形，并在X 方向上取19 個不同的研究點，如表2所示。

2 路表彎沉分析

青路面的豎向受荷變形的綜合反映為路表彎沉。這不僅是路面結構整體剛度的體現(xiàn)，還是我國瀝青路面結構設計的重要指標之一［9］。本文應用BISAR3.0 計算上述三種路面結構方案下的橫斷面路表彎沉，詳細計算結果如表3所示。

表2 路面結構力學分析取點分布Tab.2 Distribution of Points for Mechanical Analysis of Pavement Structures

表3 三種路面結構路表彎沉值計算結果（0.01mm）Tab.3 Calculated Results of Surface Seflection of Three Pavement Structures（0.01mm）

為更加直觀地分析路表彎沉的空間分布，將半剛性基層瀝青路面彎沉值得計算結果三維化（見圖1），并對三種不同路面結構路表彎沉值進行對比分析，如圖2所示。

圖1 半剛性路基瀝青路面彎沉分布Fig.1 Deflection Distribution of Semi-rigid Subgrade Asphalt Pavement

分析圖2可知，三種形式的路面結構計算結果顯示在標準荷載下的彎沉隨X 坐標的分布總體相似，但由于所選三種路面結構的結構層厚度和數(shù)值參數(shù)不同，導致路表彎沉值趨勢線的起伏程度和數(shù)值并不相同。此次分析模型建立過程中，所選復合式、半剛性基層瀝青路面均為厚度相當?shù)臒o機結合料穩(wěn)定材料，而復合式瀝青路面結構較半剛性瀝青路面多加鋪一層碎石柔性層作為，因此彎沉值最小。而柔性基層瀝青路面結構整體彎沉值較大，彎沉盆半徑也最小。

圖2 不同結構基層彎沉變化趨勢Fig.2 Deflection Trend Chart of Different Structural Base Layers

然而，在瀝青路面結構評價中路表彎沉值只是反映路面性能的綜合指標之一，很難準確反映路面各結構層及破壞類型［10］。理論研究表明，路面彎沉的受路基控制，而設計彎沉值卻沒有考慮土基的影響。另外，由于不同路面結構可采用不用彎沉值設計標準，使得彎沉值并不能較為準確反映出路面損壞的本質。因此，為了更為準確地反映出路面損壞本質，彌補彎沉值指標的局限性，在規(guī)范中又增加了瀝青層及其他結構層底面的彎拉力作為設計指標。

3 拉彎應力分析

對以上三種結構中垂直于行車方向和平行行車方向的彎拉應力（σx、σy）進行了計算，并將計算結果三位化，如圖3～圖5所示。

圖3 半剛性基層瀝青路面彎拉應力結構Fig.3 The Structure Diagram of Flexural-tensile Stress of Semi-rigid Base Asphalt Pavement

三種不同路面結構瀝青路面在標準荷載作用下，水平面內的σx、σy彎拉應力的三維空間分布相似，而各結構層厚度及材料強度導致起伏程度及峰值大小有所不同。彎拉應力較大區(qū)域在距離輪隙中心在0.08～0.24 m之間，大致以單輪施加荷載點為中心，左右兩側各約1個荷載圓半徑。從X向及Z向綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，三種結構均以單圓荷載中心處受力最為不利。在所取道路計算寬度內，瀝青層材料基本上完全處于受壓狀態(tài)，以荷載圓中心為最大，向兩側遞減。而半剛性基層結構基層處于拉應力狀態(tài)，上部為壓應力狀態(tài)。且在層底存在σx＜σy的關系，分析此關系是半剛性基層多發(fā)生橫向開裂的重要因素之一；車輪荷載作用下，柔性路面的中心壓應力最大，結構深度的增加伴隨著壓應力的迅速減少；復合式瀝青路面基層結構彎拉應力大小變化介于半剛性基層與柔性基層瀝青路面之間。

圖4 復合基層瀝青路面彎拉應力結構Fig.4 The Structure Diagram Bending and Tensile Stress of Composite Base Asphalt Pavement

圖5 柔性基層瀝青路面彎拉應力結構Fig.5 The Structure Diagram of Flexible Base Asphalt Pavement Bending-tension Stress

4 拉彎應變分析

在單向應力條件下，應力和應變滿足式⑴，則可以認為應力應變關系分析結果是等效的［9］。

然而，瀝青路面在荷載作用時常處在復雜的三向應力狀態(tài)。三個方向的應力與應變狀態(tài)遵循廣義虎克定律公式⑵，使路面的受力和變形相差很大。

因此，對三種不同路面結構開展了彎拉應變的數(shù)值模擬計算。圖6～圖8為計算結果彎拉應變分布圖。

圖6 半剛性基層瀝青路面彎拉應變Fig.6 Bending Tensile Strain of Semi-rigid Base Asphalt Pavement

圖7 復合基層瀝青路面彎拉應變Fig.7 Bending and Tensile Strain of Composite Base Asphalt Pavement

圖8 柔性基層瀝青路面彎拉應變Fig.8 Bending Tensile Strain of Asphalt Pavement of Flexible Base Asphalt Pavement

由圖6～圖8分析結果可知，三種不同瀝青路面結構在標準荷載作用下，拉彎應變εx、εy的三維空間分布相似，而由于各結構層厚度及各層材料強度不同，使得計算模型曲面起伏程度及數(shù)值大小不同。另外，三種瀝青路面結構應變較大區(qū)均以單圓荷載中心為中心，分布區(qū)域在0.08～0.24 m之間，且單輪荷載施加點處始終為最不利變形點。半剛性基層瀝青路面荷載圓下深度在0.06～0.08 m、復合式基層瀝青路面荷載圓下深度在0.06～0.14 m之間，路面材料處于最不利的變形狀態(tài)；柔性基層彎拉應變沿基層垂直向下深度范圍內，后隨深度增大有再次明顯增大趨勢。三種結構瀝青面層從應力分析來看雖然都處于受壓狀態(tài)，但經(jīng)過計算說明確實有拉應變區(qū)域存在，且有εx＞εy，此為瀝青混合料的不利變形形式，與所觀測瀝青路面常見的縱向荷載型裂縫有直接關系［11］。

5 結論

⑴半剛性基層瀝青路面、復合式基層瀝青路面、柔性基層瀝青路面三類路面結構類型在標準豎向荷載作用下，其彎沉值隨X坐標的分布總體相似，但隨路面結構基層厚度和數(shù)值參數(shù)不同，導致路表彎沉值趨勢線的起伏程度和數(shù)值存在差異。

⑵三種不同瀝青路面結構在豎向標準荷載下，彎拉應變εx、εy、σx、σy彎拉應力的三維空間分布相似；X向及Z向分析，結構內部的彎拉應力及拉彎應變最不利位置在單輪荷載接觸點中心；荷載作用下三種瀝青結構均處于壓縮狀態(tài)，且層底拉應力σx＜σy、彎拉應變有εx＞εy，使得路面材料的不利變形類型，與所觀測瀝青路面常出現(xiàn)的縱向荷載型裂縫有直接關系。

⑶復合式基層瀝青路面受力變形狀態(tài)介于半剛性基層和柔性基層路面之間，力學特性上吸收二者優(yōu)點，在瀝青公路設計中應予以優(yōu)先采用。