高海燕

為了提高瀝青混合料路面建設(shè)水平，首先提出了半剛性基層瀝青路面車輛軸載優(yōu)化公式，隨后探討了其設(shè)計要點，最后依托某公路項目，利用軟件ANSYS建立有限元模型，分析了半剛性基層瀝青路面的強(qiáng)度指標(biāo)變化趨勢。

我國基礎(chǔ)設(shè)施交通網(wǎng)絡(luò)日益完善，公路工程建設(shè)速度不斷提高，且國內(nèi)公路的路面結(jié)構(gòu)層大概80%以上均為瀝青混合料路面。但是，如果瀝青路面基層材料選擇不合理，在車輛軸載影響下，會出現(xiàn)裂縫、凹槽等病害形式。

半剛性基層具有強(qiáng)度高，水穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在瀝青混合料路面設(shè)計中應(yīng)用范圍較大。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者也開始針對半剛性基層路面設(shè)計開展了部分研究，并得到了一些有價值成果，但是，半剛性基層路面的研究方向往往集中基層材料、級配優(yōu)化等方面，而對其強(qiáng)度指標(biāo)的研究較少。同時設(shè)計人員在開展半剛性基層瀝青路面設(shè)計時未能深入了解其強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律，以工程類比法為主，這對瀝青路面疲勞壽命的影響較不利。因此，研究半剛性基層路面的強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律具有十分重要的工程意義。

一、半剛性基層瀝青路面荷載修正

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中，瀝青混合料路面設(shè)計時采用的是100kN標(biāo)準(zhǔn)軸載，汽車輪胎接地壓力0.7MPa、單輪當(dāng)量直徑是21.3cm，圓中心距=3×輪胎接地半徑。

但是，上述車輛標(biāo)準(zhǔn)軸載適用于常規(guī)工況下的瀝青混合料路面設(shè)計，如果路面車輛軸載較大（超過130kN），路面材料使用性能容易出現(xiàn)非線性變化。此時，可根據(jù)“比利時經(jīng)驗法”中的來計算半剛性基層瀝青路面的軸載。該方法采用的標(biāo)準(zhǔn)車輛軸載為80kN，各等級的道路路面計算參考下式：

式中：A—輪胎接地面積，cm2；P—單個輪胎荷載，N；p—輪胎與地面的接觸壓力。

為了減小和規(guī)范中1O0kN軸載的誤差，需要對上述公式修正，修正后的輪胎接地壓強(qiáng)和軸載的關(guān)系見下：

式中：pi、ps—分別為重載輪胎和普通輪胎接地壓強(qiáng)，；Pi、Ps—分別為重載車輛軸載、標(biāo)準(zhǔn)軸載。

二、半剛性基層瀝青路面設(shè)計要點分析

1.交通參數(shù)確定

交通參數(shù)是開展半剛性基層路面設(shè)計地前提和基礎(chǔ)資料，它會直接影響瀝青路面軸載換算結(jié)果、交通等級、路面結(jié)構(gòu)層厚度擬定等。

（1）交通量獲取

常規(guī)荷載下的公路交通量在調(diào)查時一般是利用道路觀測站實時觀測，并對觀測數(shù)據(jù)采用相應(yīng)的換算系數(shù)修正，從而得到年平均日交通量。同時，在開展軸載作用次數(shù)換算時往往不按軸型和軸載分別計算（沒考慮荷載譜），而是基于概率統(tǒng)計對主要車型展開軸載換算。

（2）方向系數(shù)

方向系數(shù)為道路上某一方向累計當(dāng)量軸次占總當(dāng)量軸次百分比。方向系數(shù)能反映出某一方向車輛對半剛性基層路面的作用情況，如，公路上交通流由常規(guī)荷載車輛組成，則各方向車輛對瀝青路面的作用情況基本相同，此時方向系數(shù)近似取1。而重載車輛以運(yùn)送大件貨物為主，行駛軌跡往往是單向，重載方向的路面應(yīng)當(dāng)單獨設(shè)計，以避免常規(guī)車輛軸載方向的路面結(jié)構(gòu)過于保守，從而提高路面設(shè)計經(jīng)濟(jì)效益。

2.瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

瀝青路面的基層和底基層是承受車輛荷載的主要結(jié)構(gòu)層，應(yīng)選強(qiáng)度高，抗彎拉應(yīng)力強(qiáng)的半剛性材料，如，水泥穩(wěn)定土、二灰穩(wěn)定土等。如果路面上形式的重載車輛過多，路面基層不宜采用石灰土，因為石灰土中水穩(wěn)性不好，在車輛荷載和水分作用下容易出現(xiàn)崩解現(xiàn)象，使基層結(jié)構(gòu)變得更加松散，強(qiáng)度減小。

3.瀝青路面結(jié)構(gòu)驗算

半剛性基層瀝青混凝土路面組合初步擬定后，應(yīng)采用HPDS、BISAR等軟件對路面厚度進(jìn)行永久變形量、基底拉應(yīng)力等參數(shù)的驗算，同時根據(jù)驗算結(jié)果對路面結(jié)構(gòu)組合開展動態(tài)調(diào)整。

三、半剛性基層瀝青路面強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律

要提高半剛性基層路面運(yùn)營壽命，必須重視不同軸載下路面強(qiáng)度指標(biāo)地變化規(guī)律。筆者擬利用ANSYS15.0繪制路面結(jié)構(gòu)計算模型，從路表彎沉、基層層底拉應(yīng)力兩方面來瀝青路面的強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律。半剛性基層瀝青混合料路面的計算可基于多層彈性理論。多層彈性理論的基本假設(shè)有：①路面各結(jié)構(gòu)層是均勻連續(xù)的；②路面各結(jié)構(gòu)層材料性質(zhì)具有各向同性；③路面結(jié)構(gòu)層間僅僅有豎向壓應(yīng)力，而沒有相對滑動趨勢。

1.工程概況

某公路全長20km，主線起訖樁號是K15+680～K35+680，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是一級公路，雙向四車道布置，設(shè)計速度80km/h，路面結(jié)構(gòu)層總厚度是74cm，沿線可能存在較多的重型車輛軸載，土基填料是級配碎石。路面各結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)如表1：

表1 半剛性基層瀝青路面物理力學(xué)參數(shù)

2.路面三維計算模型

由相關(guān)研究成果可知，網(wǎng)格尺寸對軟件計算結(jié)果和效率影響十分明顯。在綜合考慮半剛性基層路面精確度和計算機(jī)運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上，基層和底基層采用SOLID45單元劃分，瀝青面層采用SOLID185單元劃分。其中，車輛軸載作用范圍內(nèi)的路面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸選0.5m，其它部位網(wǎng)格尺寸選1m，共劃分單元2828個，節(jié)點3276個。

3.半剛性基層瀝青路面強(qiáng)度指標(biāo)計算結(jié)果

（1）層底拉應(yīng)力變化?；鶎雍偷谆鶎邮浅惺芊磸?fù)車輛荷載的主要結(jié)構(gòu)，層底容易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致面層的疲勞破壞，因此必須對半剛性瀝青混合料路面的層底拉應(yīng)力進(jìn)行控制。在ANSYS中內(nèi)置的動力模塊對半剛性基層瀝青路面施加了80kN、100kN、120kN、140kN、160kN、180kN、200kN的車輛軸載，不同軸載作用下瀝青路面層底拉應(yīng)力見圖1。

圖1 路面層底拉應(yīng)力變化

計算結(jié)果表明：半剛性基層瀝青路面層底拉應(yīng)力隨車輛軸載提高而提高，則路面抗疲勞壽命不斷降低。當(dāng)路面軸載從80kN提高至200kN，層底拉應(yīng)力從0.05Mpa提高至0.106Mpa，增長幅度112%，即軸載每提高20kN，層底拉應(yīng)力平均增長率達(dá)到18.67%。同時，層底拉應(yīng)力增長趨勢并不是線形變化的，其提高速率逐漸變緩。當(dāng)車輛軸載達(dá)到200kN時，瀝青路面層底拉應(yīng)力基本不再變化。因此，在半剛性基層路面設(shè)計期間應(yīng)當(dāng)動態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)層厚度，盡可能降低層底拉應(yīng)力，來降低車輛荷載對瀝青混合料路面地早期破壞。

（2）路面彎沉變化。彎沉值是表征公路半剛性基層路面運(yùn)營壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一。一般情況下，彎沉越大，瀝青路面承受車輛荷載的能力越差，荷載容易對路面產(chǎn)生破壞，從而降低道路的運(yùn)營壽命。車輛軸載施加情況同上，ANSYS15.0得到的不同軸載作用下路面彎沉如圖2所示：

圖2 瀝青路面彎沉變化

由圖2可知：隨著車輛軸載的提高，路表彎沉基本呈線性正相關(guān)變化。當(dāng)車輛軸載從80kN提高到200kN，彎沉值從0.21mm增加至0.79mm，增長幅度276.2%。這表明車輛荷載對半剛性基層路面承載力和使用期限的影響較大，必須在路面設(shè)計中充分重視。

四、結(jié)語

文章分析了半剛性基層瀝青路面的軸載換算、設(shè)計要點及強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律，主要得出以下幾個方面結(jié)論：（1）半剛性基層瀝青路面設(shè)計時通常采用100kN標(biāo)準(zhǔn)軸載，如果軸載超過130kN，宜根據(jù)“比利時經(jīng)驗法”中進(jìn)行修正；（2）瀝青混合料路面應(yīng)選強(qiáng)度高，抗彎拉性能強(qiáng)的半剛性材料作為基層，并對路面強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行驗算和動態(tài)調(diào)整對路面組合和厚度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；（3）半剛性基層瀝青路面層底拉應(yīng)力隨軸載提高而提高，但增長并不是線形變化，其增長速率逐漸變緩；⑷隨著車輛軸載的提高，路表彎沉基本隨之呈線性正相關(guān)關(guān)系。