劉昕宇

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300392）

路基的承載能力在道路使用過(guò)程中至關(guān)重要。在自然環(huán)境與荷載作用下，瀝青路面常因路基承載力不足而出現(xiàn)不均勻沉降，進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)破壞，影響瀝青路面的正常使用，為車(chē)輛行駛安全帶來(lái)隱患。因此，在實(shí)際工程中，一般需要加固路基來(lái)使其能滿(mǎn)足正常的路用性能[1]。

目前的研究多是針對(duì)軟弱路基分析，較少針對(duì)強(qiáng)路基分析規(guī)律。在土質(zhì)較好地段，通過(guò)加強(qiáng)路基，可以提升道路的使用性能與壽命，還可以減薄上部結(jié)構(gòu)厚度，從而減少造價(jià)，節(jié)約人力物力[2]。

不同路面結(jié)構(gòu)，路基的作用并不相同，因此需要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)在荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。目前的道路領(lǐng)域研究中，常使用有限元軟件ABAQUS作為道路結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析手段，其龐大復(fù)雜的模型庫(kù)、高效計(jì)算能力與優(yōu)秀的可視化界面得到學(xué)者的青睞。

本文首先通過(guò)調(diào)研，確定3種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，之后大幅變化路基的模量并分析每個(gè)結(jié)構(gòu)的受力特性，得出相應(yīng)結(jié)論，為不同結(jié)構(gòu)的瀝青路面設(shè)計(jì)提供參考。

1 典型路面結(jié)構(gòu)

首先分析荷載作用下不同路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而確定整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力特性。針對(duì)不同的路面結(jié)構(gòu)形式，利用ABAQUS軟件分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

1.1 半剛性結(jié)構(gòu)

目前，半剛性基層路面是我國(guó)瀝青路面的最典型結(jié)構(gòu)[3]。瀝青層厚度一般為16～20 cm，下方半剛性基層一般采用36～40 cm厚的水泥穩(wěn)定粒料，底基層一般采用20～40 cm厚的級(jí)配碎石或低劑量水泥穩(wěn)定結(jié)合料。各材料層參數(shù)見(jiàn)表1[4]。

表1 半剛性基層結(jié)構(gòu)瀝青路面各材料層參數(shù)

上中面層主要受壓、底基層主要受拉，部分基層也承受一定拉應(yīng)力。見(jiàn)圖1。

圖1 半剛性基層瀝青路面受力狀態(tài)

因此，該結(jié)構(gòu)組合底基層材料處于最不利的應(yīng)力狀態(tài)，而低劑量水泥穩(wěn)定粒料的底基層抗拉性能以及受拉疲勞性能極差，如果路基產(chǎn)生不均勻沉降，路面結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力將主要集中在底基層和基層，容易導(dǎo)致底基層和基層出現(xiàn)開(kāi)裂。對(duì)路基土質(zhì)不良的地區(qū)，半剛性基層將產(chǎn)生過(guò)大的附加應(yīng)力，導(dǎo)致較嚴(yán)重的路基不均勻沉降，使得路面出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)性病害。

1.2 倒裝結(jié)構(gòu)

倒裝結(jié)構(gòu)是福建等我國(guó)南方地區(qū)的典型路面結(jié)構(gòu)[5]。瀝青層一般鋪設(shè)20～26 cm厚，下部結(jié)構(gòu)采用15～20 cm厚的級(jí)配碎石，底基層采用25～40 cm厚的低劑量水泥穩(wěn)定粒料作為底基層。各材料層參數(shù)見(jiàn)表2[4]。

表2 倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面各材料層參數(shù)

倒裝結(jié)構(gòu)的受力呈現(xiàn)出明顯的兩個(gè)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)初建后，由于底基層具有較強(qiáng)的整體性與承載力，瀝青層與底基層所受的拉應(yīng)力均較小，結(jié)構(gòu)處于合理受力狀態(tài)；但隨著車(chē)輛荷載的作用以及路基不均勻沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力，底基層逐漸疲勞失效，承載力大幅下降，此時(shí)結(jié)構(gòu)的主要受拉區(qū)域?yàn)闉r青層底部且受到的拉應(yīng)力較新建初期明顯增大。見(jiàn)圖2。

圖2 倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面受力狀態(tài)

結(jié)構(gòu)中半剛性基層強(qiáng)度剛度大、整體性好，雖然容易出現(xiàn)由于溫度與濕度變化引起的縮裂和地基不均勻沉降引起的開(kāi)裂，但由于級(jí)配碎石的應(yīng)力分散作用，下基層的開(kāi)裂不易反射到上面的瀝青層，從而使路面結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能。

1.3 柔性基層結(jié)構(gòu)

國(guó)外的路面典型結(jié)構(gòu)為柔性基層路面結(jié)構(gòu)[6]。該結(jié)構(gòu)一般形式為上面層厚4 cm左右的細(xì)粒式瀝青混凝土，中面層厚8 cm左右的中粒式瀝青混凝土，下部瀝青結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)壽命的不同采用厚15～30 cm的瀝青穩(wěn)定碎石基層，底基層采用厚16～36 cm的級(jí)配碎石層。各材料層參數(shù)見(jiàn)表3[4]。

表3 柔性基層瀝青路面各材料層參數(shù)

作為最主要的結(jié)構(gòu)層，瀝青上中層承受壓應(yīng)力，瀝青穩(wěn)定碎石基層承受拉應(yīng)力，瀝青層底部是結(jié)構(gòu)層使用壽命的控制條件。見(jiàn)圖3。

圖3 柔性結(jié)構(gòu)瀝青路面受力狀態(tài)

柔性基層路面結(jié)構(gòu)具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，解決了半剛性基層的反射裂縫問(wèn)題，在保證荷載不過(guò)大的前提下，可以滿(mǎn)足道路的長(zhǎng)期使用要求。此外，由于柔性基層與瀝青層黏結(jié)牢固，路面整體變形協(xié)調(diào)能力增強(qiáng)，路面整體抗疲勞耐久性得到進(jìn)一步提高。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿(mǎn)足荷載條件下的正常使用，往往需要較厚的瀝青層，因此初期建設(shè)的成本往往較高[7]。

2 高模量路基下路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)

在對(duì)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析路基加強(qiáng)下的結(jié)構(gòu)受力特性。半剛性基層瀝青路面主要分析路基模量變化對(duì)水泥穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力與路表彎沉的影響；倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面主要選取路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)變、水泥穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行研究；柔性基層主要選取瀝青路面路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力-應(yīng)變、路基頂部豎向應(yīng)力-應(yīng)變作為路基的控制指標(biāo)進(jìn)行研究。

控制加固深度一定，均設(shè)為0.3 m，假設(shè)路基初始模量為60 MPa，加固后上路床模量分別為100、300、500、700、900、1 100、1 300 MPa，路基其余部分模量保持60 MPa不變。路面結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。

2.1 半剛性基層瀝青路面

由于半剛性基層的存在，瀝青層均處于受壓狀態(tài)，一般不以路基作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制層，而是以半剛性基層作為主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制層。

隨著上路床模量的不斷增加，路表彎沉逐漸減小且減小幅度趨緩，水泥穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力和應(yīng)變不斷減小且均呈近似線(xiàn)性趨勢(shì)變化。初始路基最大壓應(yīng)變?yōu)?0.79，當(dāng)上路床模量為60～300 MPa時(shí)，隨著上路床的模量不斷增加，路基整體壓應(yīng)變也在增加；在模量＞300 MPa后，隨著上路床模量的增加，路基最大壓應(yīng)變呈現(xiàn)線(xiàn)性減小的趨勢(shì)，即使模量增加的初始階段路基最大壓應(yīng)變呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其增量也較小?？偟膩?lái)說(shuō)，模量增加對(duì)路基整體壓應(yīng)變改變不大，但對(duì)控制指標(biāo)水泥穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力有一定的影響。見(jiàn)圖4。

圖4 路基模量變化下半剛性基層瀝青路面受力特性

2.2 倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面

本文只討論半剛性基層破壞前的受力特點(diǎn)。由于半剛性基層的存在，一般以半剛性基層作為主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制層，還需要考慮瀝青層層底拉應(yīng)變是否足夠小，因此需要分析改變路基模量對(duì)該指標(biāo)的影響。

隨著上路床模量的增加，瀝青層層底拉應(yīng)力和應(yīng)變、水穩(wěn)層層底拉應(yīng)力和應(yīng)變均逐漸減小且變化趨勢(shì)較緩。路表彎沉在模量較小時(shí)改善效果明顯，當(dāng)模量進(jìn)一步提高則減小趨勢(shì)變緩。路基最大壓應(yīng)變與半剛性基層結(jié)構(gòu)相似，上路床模量≤300 MPa時(shí)，隨著模量增加應(yīng)變?cè)龃螅划?dāng)模量＞300 MPa時(shí)，隨著模量的增加，路基最大壓應(yīng)變呈線(xiàn)性趨勢(shì)減小。見(jiàn)圖5。

圖5 路基模量變化下倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面受力特性

2.3 柔性基層瀝青路面

路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變隨著模量增加而減小的幅度變小。模量在100～300 MPa時(shí)，減小幅度最大。路基壓應(yīng)變基本隨著模量的增加而線(xiàn)性減小，在模量＞500 MPa后減小幅度變??；因此，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮對(duì)路基進(jìn)行加固，以提高路基模量來(lái)減小路基最大壓應(yīng)變；在路基壓應(yīng)變滿(mǎn)足要求后再進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其可以滿(mǎn)足瀝青層底拉應(yīng)變的限值。見(jiàn)圖6。

圖6 路基模量變化下柔性基層瀝青路面受力特性

3 結(jié)論

1）由于結(jié)構(gòu)層厚度與材料屬性的差異，提高路基模量對(duì)柔性基層瀝青路面整體性能提升最大，這表現(xiàn)為各項(xiàng)指標(biāo)的減小幅度均大于其他兩種結(jié)構(gòu)。總體來(lái)說(shuō)，3種結(jié)構(gòu)中柔性基層瀝青路面對(duì)路基模量變化最為敏感，而半剛性基層瀝青路面對(duì)路基模量變化敏感性最差。從性?xún)r(jià)比上看，在實(shí)際工程中，強(qiáng)路基更適合在柔性基層結(jié)構(gòu)中使用。

2）對(duì)于半剛性基層結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)，其路面壓應(yīng)變均較小，即表面上通過(guò)提高路基模量來(lái)提升結(jié)構(gòu)性能的方法并不可取；但值得注意的是，路基模量的提升會(huì)帶來(lái)水泥穩(wěn)定層底拉應(yīng)力不同程度減小，由于水泥穩(wěn)定層抗拉性能差，這會(huì)間接提高道路的使用壽命。

3）對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面，一般可視為存在兩階段壽命。第一階段壽命以半剛性基層的疲勞作為控制條件，水泥穩(wěn)定層壽命的敏感性與典型的半剛性基層結(jié)構(gòu)的規(guī)律基本相同；而第二階段由于半剛性基層破壞，結(jié)構(gòu)完全屬于高模量基層的柔性基層結(jié)構(gòu)的范疇，遵循柔性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制方法。因此，對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面采取部分加固措施，以保證其在第二階段可以長(zhǎng)期使用。