沥青面层结构参数对倒装路面结构非线性响应分析

2011-06-06胡海学肖庆一王志辉侯子义

中国港湾建设 2011年6期

胡海学，肖庆一，王志辉，侯子义

（1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401；2.天津市公路工程总公司第一分公司，天津 300112）

半刚性材料的干缩温缩易使基层开裂，并由此形成沥青面层反射裂缝，削弱结构强度，且半刚性基层沥青路面结构排水条件差，采用具有一定厚度和严格级配的级配碎石层作为过渡层，构造倒装结构组合基层沥青路面，很大程度上弥补半刚性基层反射裂缝及排水差的缺陷。但级配碎石的模量低，将其作为过渡层的加入会改变原沥青路面结构应力状况。大量关于级配碎石的研究文献主要集中在级配碎石材料的力学特性和稳定性、级配组成设计方法及试验路观测等方面[1]，而级配碎石过渡层沥青路面结构的非线性响应分析相对较少，本文仅就沥青面层厚度及模量两个路面结构参数对级配碎石过渡层沥青路面各控制指标进行分析。

1 分析理论

较为理想的倒装结构组合基层沥青路面力学模型是层状体系理论，假定各层都是由均质、各向同性的弹性材料组成；土基在水平方向和向下的深度方向均为无限，其上的各层厚度均为有限，但水平方向仍为无限；上层表面作用着轴对称圆形均布垂直荷载；层间接触面假定完全连续[2]。采用KENPAVE路面设计程序进行路面力学分析。

级配碎石材料为非线性材料，模量随着应力而变化，即碎石层的各点随着结构深度的不同模量也不同。在KENLAYER程序中为确定非线性材料的模量，首先假设该层的弹性模量，并用层状理论求得应力，根据非线性模型，确定新的模量值，并计算新的一组应力，重复这个过程，直至两次相邻迭代的模量接近于某个规定的精度为止。有两种确定模量计算点的方法，一是将非线性粒料层划分为若干层，用每层中间高度的应力来确定其模量；二是将所有粒状材料看作一层，取适当点计算模量[3]。本文采用前者，将级配碎石层再分层，每层取5 cm。

2 路面结构及材料参数

以双轮组单轴载100 kN为标准轴载，简化为双圆均布荷载的轮载半径δ=10.65 cm，接地压力为0.7 MPa。计算简图如图1所示，各结构层材料参数如表1所示。级配碎石过渡层的回弹模量随着应力强度的增加而增加。回弹模量和第一应力不变量的简单关系可表达为[3]：

式中：K1和K2为实验得到的常数，K1单位为kPa；θ为应力不变量，或者是3个法向应力σx、σy、σz之和，或是3个主应力 σ1、σ2、σ3之和：

式中：γ为平均单位体积重量；z为模量计算点离地表面的距离；K0为静土压力系数。

图1 力学分析结构示意图

表1 各结构层材料参数

3 路面结构非线性响应计算结果与分析

3.1 沥青面层厚度及模量变化对路表弯沉的影响

不同沥青面层厚度和模量下，以路表弯沉值为控制指标，弯沉计算点为轮隙间表面中点，对设置级配碎石过渡层沥青路面结构进行分析，如图2所示。

图2 不同面层厚度、模量下弯沉变化

分析图2可知，路表弯沉随沥青面层厚度的增大而逐渐减小，随沥青面层模量的增大也呈减小趋势，减小的幅度与沥青面层厚度成正比，厚度越大，特别是厚度超过20 cm后，弯沉值下降的趋势明显加快。

3.2 沥青面层厚度及模量变化对沥青面层层底拉应力的影响

不同面层厚度和模量下沥青面层层底拉应力变化如图3所示。

图3 不同面层厚度、模量下沥青层底拉应力

由图3可知，沥青层厚度小于15 cm时，层底拉应力随面层层厚增加而明显增加，当层厚大于15 cm后，层底拉应力随厚度增加呈逐渐减小趋势。结构层厚相同时，模量越大，拉应力越大。因为面层模量与级配碎石模量之比越大，路表荷载大部分将由刚度较大的面层承担，导致面层层底拉应力变大，这点与半刚性基层沥青路面存在显著区别。

沥青混凝土面层以拉应力为设计指标时，材料的容许拉应力 σR应按式（4）计算[5]。

式中：σS为沥青混凝土15℃时极限抗拉强度；KS为抗拉强度结构系数，按式（5）计算。

将计算拉应力看作容许拉应力利用公式（4）、（5）反推得设计年限内累计交通量Ne，结果如图4所示。通过分析可以看出，沥青层层底疲劳寿命呈上凹抛物线形，在15～20 cm之间存在最小值；提高沥青结构层模量导致层底弯拉应力增加，反而降低沥青面层的疲劳寿命。由此看出，高等级道路采用倒装结构组合设计时，厚度选择应避开15～20 cm范围，从路面整体刚度角度考虑，倒装结构宜大于20 cm；同时在结构设计参数的选择上不应盲目选择过高的材料模量参数。

图4 累计标准轴次变化

3.3 沥青面层厚度及模量变化对半刚性基层层底拉应力的影响

半刚性基层层底拉应力的计算点为双轮对称轴上半刚性基层底面点。不同面层厚度和模量下半刚性基层层底拉应力变化如图5所示。

图5 不同面层厚度、模量下半刚性基层层底拉应力

由图5可以看出，随着面层厚度的增加，半刚性基层层底拉应力逐渐减小，减小趋势显著；增加面层模量，虽然也能减小层底拉应力，但减小幅度不明显。

3.4 沥青面层厚度及模量变化对土基顶面竖向压应变的影响

在行车重复荷载作用下，土基顶面会产生累积变形，为保证土基不发生剪切破坏或避免产生过多的塑性变形，还需分析土基顶面竖向压应变。不同面层厚度和模量下土基顶面竖向压应变如图6所示。

图6 不同面层厚度、模量下土基顶面竖向压应变

图7 面层内部剪应力随沥青层厚度变化图

由图6可以看出，增加沥青面层厚度，土基顶面竖向压应变明显减小；相同面层厚度下模量越大，土基顶面竖向压应变越小，但是差距不明显。

图8 面层内部剪应力随沥青层模量变化图

3.5 沥青面层厚度及模量变化对面层内部剪应力的影响

沥青混合料剪切破坏也是结构破坏的主要类型之一，设置级配碎石过渡层后，面层内部剪应力随沥青层厚度及模量变化如图7、图8所示。由图7可以看出，设置级配碎石过渡层后，不同面层厚度路面内部剪应力在距路表纵深约10 cm处（中面层层底）达到峰值，之后随深度增加剪应力下降幅度明显，且结构层厚度越厚，中面层剪应力峰值越小。沥青面层材料回弹模量增加，可导致剪应力分布的明显变化，而这种变化很难简单的通过剪应力大小判断对沥青结构层抗车辙能力的影响，还需要结合路面结构温度场以及沥青路面材料蠕变本构理论共同分析，这还有待进一步研究。