柔性基层的沥青路面结构力学研究

束瑞

（江苏开通建设工程有限公司，江苏 淮安 223001）

0 引言

我国对于柔性基层沥青路面的力学研究刚起步， 对该类路面结构的破坏类型及破坏机理属于重点研究的课题， 大量研究数据的积累还需要一个过程。 虽然国外基于柔性基层沥青路面的修筑建立了大量的经验数据库， 但由于国内外在地域地质条件、气候交通状况等方面存在很大的差异，需要自行积累相关经验数据。 研究发现，影响柔性基层沥青路面的结构力学性能最主要的因素是外界环境的温度变化， 导致沥青路面结构破坏的主要因素是无规律反复作用的行车荷载及温度的交变作用。 目前我国缺少用于指导控制公路沥青路面设计的指标参数。 因此，准确分析柔性基层改性沥青路面在不同温度下的应力分布特性和变化规律，可以减少沥青路面病害，具有一定的工程实际意义。

1 路面结构方案

柔性路面基层在荷载作用下具有较大的抗弯拉应变、较高的高温、力学性能，温度的变化对其体积影响不大，不易产生收缩开裂。 本文设计两种柔性基层路面结构，即级配碎石和沥青稳定碎石基层结构，探索最优柔性路面结构组合形式（表1）。

2 路面结构力学分析

采用BISAR3.0 计算行车荷载在不同温度下两种柔性基层沥青路面结构的力学行为，分析比较应力变化规律，探索最优柔性路面结构形式计算过程分为三个步骤:先计算出两种路面结构在不同路表温度下的温度场; 其次根据标准温度20 ℃下的抗压回弹模量值推算不同温度场下各层材料的抗压回弹模量值;最后为不同温度下的应力和路表弯沉值。

表1 两种路面结构组合形式

2.1 温度场的计算

假定两种基层沥青路面体内的基准温度为0 ℃，在基准状况下路表无温度变化，其路面体内温度依然为0 ℃。 40 cm 深处及以下的基层和垫层中，温度梯度变化趋于稳定，假定其温度也为0 ℃计算时路表温度取-20 ℃、-100 ℃、0 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃;路面结构层内的温度场可以采用式（1）进行计算:

式中:Th为距离路表面h 处的温度值；T0为路表面温度；h 为所求点至路表面的距离。

按照公式（1）计算出各个路面结构层在不同路表温度下沿厚度分布的平均温度如表2 所示。

表2 路面结构1 和结构2 各层中点位置平均温度

2.2 材料参数

沥青混合料的抗压回弹模量值采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)沥青混合料圆柱体。 单轴压缩试验方法确定试验得到20 ℃下的抗压回弹模量值， 其中泊松比取值参考公路设计手册。

计算到标准温度20 ℃下的抗压回弹模量值，就可以推算其他温度的相应模量值，温度与反算模量之间的关系如式（2）

其中:θ 为温度值。当温度为θ 时的抗压回弹模量值；Ep20为温度为标准温度(20 ℃)时的抗压回弹模量值。

2.3 力学计算结果

采用BISAR 3.0 计算两种柔性路面结构的路表弯沉值和各层层底拉压应力以及剪应力，本次计算选取轮隙中心为计算点，荷载采用双圆均布垂直荷载，且为标准轴载BZZ-100，轮载P=25 kN，轮压p=0.7 MPa，半径d=0.1 065 m。 层间接触状态为完全连续x 轴为行车方向，y 轴为横断面方向，z 轴为路面结构深度方向计算时材料参数模量值、泊松比采用表3 中给出的值。

（1）路表弯沉是路基和路面结构层不同深度处竖向变形的总和， 是表征路面结构总体刚度的指标， 能够反映路面整体承载能力和使用状况的好坏，两种路面结构路表弯沉各不相同。

可以看出: 两种路面结构的路表弯沉值随着温度升高逐渐增大，且为线性趋势，增价幅度相同，结构2 路表弯沉略<结构1，在荷载与土基支承相同条件下，弯沉值越大，则结构总体刚度越小，其抗压入、抗弯曲与抗变形能力越小， 则结构2 刚度比结构1大，在这主要与两种路面结构基层材料、厚度有关。

表3 路面结构1 和结构2 各结构层材料的抗压回弹模量

（2）在行车荷载作用下路面结构内部水平方向会出现压应力和拉应力，根据《公路沥青路而设计规范》（JTG D50-2006）规定，控制沥青路而整体性结构层疲劳开裂的是层底最大拉应力，而非水平拉应力。 因此根据Bisar 符号规定:“+’，为拉应力；“-’，为压应力，两种路面结构下面层层底拉(压)应力如图1 所示。

图1 下面层层底拉(压)应力随温度变化曲线

从图1 中可以看出，路面结构2 下面层层底为拉应力， 该结构的层底拉应力随温度增加逐渐减小，并且减小速率逐渐变小;结构1 下面层层底受到的压应力会随着温度的升高逐渐增大，并且增大速率逐渐减小; 结构1 在温度为-20 ℃时下面层层底为拉应力，但其随着温度的升高由拉应力逐渐变为压应力。由于沥青混合料抗拉强度要远小于抗压强度，路面结构破坏一般是由于层底拉应力过大造成的，压应力影响不大。

（3）根据计算结果将两种路面结构在不同温度时的基层层底拉应力进行汇总， 从图2 中可以看出，路面结构1 的基层层底拉应力远大于结构2 的基层层底拉应力，这是由于路面结构1 的沥青碎石基层承受较大层底拉应力，而结构2 基层为级配碎石，不承受拉应力，不需要进行基层层底拉压应力验算设计。

（4）层底剪应力会造成沥青混合料黏结性的破坏，所以说剪切破坏是柔性基层路面损坏的主要形式之一。车辙、推移、面层裂纹都是在荷载反复作用下产生的，其中级配碎石基层不需要进行基层层底剪应力验算设计，沥青碎石基层路面结构1 各结构层层底剪应力如图2 所示。

分析图2 可以看出， 路面结构1 基层承受的剪应力最大，其次为上面层，下面层剪应力最小在温度为-20 ℃,结构层的剪应力最大，随着温度的升高，各结构层层底的剪应力逐渐减小， 其中上面层和基层的减小幅度较大，中面层和下面层基本不受影响。

图2 基层层底拉应力随温度变化曲线

3 结论

对两种路面结构方案采用BISAR 3.0 程序计算行车荷载和温度作用下的路面力学行为，得到以下主要结论:

（1）路面结构1 路表弯沉值略大于结构2 在荷载与土基支承相同条件下，弯沉值越大，则结构总体刚度越小，其抗压入、抗弯曲与抗变形能力越小，则路面结构1 总体刚度比结构2 小，说明在弯沉值一样条件下，结构1 的抗变形能力没有结构2 好。

（2）在不同温度下的行车承载的负荷，路面结构1 出现在沥青碎石基层的结构力学的最大拉应力。 路面结构的最大拉伸应力为在下面层-20 ℃，两种路面结构经受一定的拉伸应力， 随温度的增加， 在这两个路面结构的垂直应力和主压应力，在基本水平的主拉应力，以下级配碎石基层沥青路面为拉应力。

（3）在温度为-20 ℃时，路面结构1 沥青碎石基层承受的剪应力最大，其次为上面层，下面层剪应力最小。 随着温度的升高，各结构层层底的剪应力逐渐减小， 其中上面层和基层的减小幅度较大，中面层和下面层基本不受影响。