劲度模量对路面结构疲劳寿命的影响

高永杰

(保定市保通公路勘测设计有限责任公司)

1 引 言

沥青路面结构设计可以看作是建立一个多层次系统结构。每层的结构性能由表示这层材料特性的各种参数决定,也就是各层的厚度、劲度模量、泊松比及疲劳性能曲线。

除力学特性外,层间摩擦力也很重要。假如两层间黏结充分,也就是层间不会在连接面产生滑动,则路面结构的张力相对要小很多。除层间完全连续、绝对光滑的情况外,还可计算具有部分摩擦力时的情况。

2 现行设计方法(BISAR计算程序)

力学路面结构设计——多层系统力学参数——适用于特定情况通过常用计算机软件进行设计。BISAR程序较为普遍,由壳牌实验室开发。程序最大适用于 10层系统。通过力学和几何学特性对系统进行明确描述。最底层假定为无限大,层厚无限。

荷载定位在坐标系中,程序适用于多层圆形分布荷载叠加。通过 x,y,z坐标可以在坐标系中进行定位,程序在坐标系中计算张力、压缩应变及位移。

3 计算后路面结构的建立

为了与规范一致,在路面结构设计中,要从路面结构类型中选定合适的路面结构,适应交通量及路基的需要。路面结构由以下各层组成:

(1)沥青面层;(2)沥青联结层;(3)沥青基层——假设总厚度足够;(4)底基层;(5)路基。

各层物理特性在以下分项中概述。沥青类型名字已经从 2008年 5月更改,但由于本研究在 2005～2007年间,因此仍采用旧名字。

3.1 路基

路基是一个无限厚度的半球体。这里的劲度系数是指静态模量 E2。基于设计规程,设计荷载较不利于满足设计寿命内的可预见承载值。本设计过程考虑E2=40MN/m2。

本例中,E2的值在 40～80MN/m2之间以 10MN/m2为一阶变化,应力随之发生相应变化。

表 1 基层厚度与模量

3.2 底基层

表 1中描述了基层厚度及其劲度模量。

M50的力学静态模量是通过 SHELL公式确定的。根据公式,模量由路基模量决定。即

FZKA碎石垫层模量下式确定

E碎石垫层=E路基×(1+10.52 ×lgH碎石垫层-2.10×lgE路基×lgH碎石垫层)

CKt(水硬性砂砾石)的劲度模量确定在 2000MPa;本研究沥青路面设计过程也假定为此值。

混凝土基层回弹模量可以根据平均压应力参照混凝土技术公式计算得出。

3.3 上基层

上基层采用沥青材料,但上基层之上加铺联结层越来越普遍。在此计算中,劲度模量的值为假设值。

3.4 联结层

联结层材料多采用K-22、K-22/F混合料。其劲度模量的测试方法之一是采用IT-CY(圆柱体试件间接张拉法)测试。在布达佩斯工业与经济大学公路工程实验室,沥青混合料劲度模量的确定采用 IT-CY方法进行测试。测试温度为 10℃。基于此来测定 K-22/F的劲度模量,见表 2。

表2 计算采用沥青材料劲度模量

3.5 面层

目前道路建设最常用材料是 AB-11,AB-11/F,AB-16,AB-16/F,ZMA-11混合料。本计算采用AB-11/F混合料。面层和联结层三种模量分别确定,即均值、最小值、最大值,最小值和最大值分别都在 95%保证率之内。此计算中不采用改性沥青,虽然其具有较高的劲度模量。

4 采用的路面结构

计算采用的材料性质见表 3。路面结构沥青层总厚度由交通荷载等级(采用交通荷载等级C,D,E,K)及基层确定,同时考虑最大及最小层厚:

(1)AB-11/F层厚在 35～60mm之间;

(2)K-22/F层厚在 70～100mm之间。完全光滑情况单独考虑,之后分别考虑光滑程度100%,75%,50%,25%,0%的情况。

计算中,单轮荷载 50kN(单轴重 100kN),作用半径R=0.15m,p=0.707MPa。

5 计算过程

沥青层破坏假设为层底拉应力造成,同时垂直压应力达到最大。经验显示压应力不会达到容许极限值,因此将讨论沥青层最小压应力的控制。假设完全光滑情况可实现,正是沥青层最小应力情况,此时应力水平明显小于中值水平。反之,各沥青层应力要控制在更低水平。

计算中包括 20种路面结构类型,见表 3,包括 5种基层类型情况,3种不同劲度模量面层,3种不同劲度模量联结层,5种不同沥青层间摩擦力情况。

表 3 计算中采用的路面结构类型

6 计算结果

6.1 面层层底拉应力

如果沥青层间无摩擦力,则拉应力只在面层层底出现,否则将出现压应力。计算证明了这一点,甚至在摩擦力25%时,只有沥青层总厚度较小的情况才会出现 20～25με的应力。由此,在设计时,这种标准在沥青层间完全光滑情况时需要考虑。然而,这种情况在实践中可能发生,但只在极端情况下出现。图 1中显示出几种不同路面结构类型在最小及最大模量下的面层应力。同交通荷载水平的增长一样,应力通常不会降低,这是由面层厚度的不连续性造成的。

6.2 沥青层底拉应力

沥青层底应力的增长符合早期经验与研究结论——是路面结构疲劳破坏的主要原因之一,这意味着,此处的应力值是最大的。这种情况下就要确定路面结构的哪个参数的变化导致了应力的明显变化。

图 2示例出沥青层在较低应力水平时劲度模量与应力的关系。计算结果显示,层底应力与面层劲度模量关系不大。假设路面结构不变,只改变面层模量,层底应力的变化范围可计算得到,在表4中显示出其在路面类型中的性能。可以看出,基层强度越大,面层劲度模量在路面结构中的影响越小。

图 1 不同类型层底拉应力

联结层劲度对路面结构性能有较大的影响。如图 2所示,偏差的减小与基层劲度模量的增大并存,但对某一固定基层类型,仍变化较大(15%～25%)。计算结果中可以看出,联结层材料质量和物理参数的改善对路面结构的服务年限产生显著的影响。应力明显减小,同时更小的应力可提供更长的服务年限。

图 2 层底拉应力与劲度模量关系

表 4 不同面层劲度对应层底应力偏差比例

不同材料的路基模量对路面结构性能的影响如图 3所示。最小路基模量为 E2=40MN/m2,在计算中以 E2=10MN/m2为阶梯控制增长到 E2=80MN/m2,更高承载能力的路基是否显著降低路面结构中应力的增长。基于已有结果,变化范围在大概 8%～10%,对于混凝土基层来说大约 6%。联结层与基层间的摩擦力可增大层底应力,减少路面结构寿命。图 4显示了对沥青层间摩擦力的分析。通过摩擦力的增大,沥青层底拉应力急剧增长。完全摩擦和完全光滑两种情况的差别甚至是双倍的,可用四次幂方程式抛物线显示出其良好的相关性。图 4中可以明显看出,混凝土上沥青层底拉应力值甚至在完全光滑状态也保持不变,或者应力绝对值很小。然而,对于软弱混凝土基层,因为要防止混凝土基层疲劳破坏,沥青层疲劳破坏设计不按各自设计指标进行设计。

图 3 不同类型沥青层底应力变化幅度

图 4 不同光滑程度对应层底应力

7 结 论

面层在沥青层间光滑程度 75%及更高时显示出更大的应力。各层其他参数对面层层底应力影响不大。因此,沥青层间摩擦力非常重要,应对此采取相应技术措施。

面层下部较上部应力大。改变路基劲度模量或面层劲度模量对层底应力作用不大。然而,改变联结层劲度模量或层间摩擦力效果明显。因此,联结层高劲度模量在路面结构中是必要的,面层劲度模量在路面设计中并不重要。

[1]Design of Road Pavement Structures and Overlay Design with Asphalt Surfacings,Hungarian Road Society–MAT,2005.T2-1.202:2005.

[2]胡晓东.沥青路面混合料中集料的技术参数分析及研究[J].中南公路工程,2005,(1).

[3]王秉纲,邓学钧.路面力学数值计算方法[M].北京:人民交通出版社,1992.