沥青面层设计参数对沥青层剪应力的影响规律

荣志慧

(晋中路桥建设集团有限公司第五分公司，山西晋中 030600)

车辙病害是重载高温区沥青路面的主要病害，严重影响路面安全和舒适性，而随着高速公路的迅速发展，研究沥青路面的车辙问题显得尤为重要。本文通过采用不同的面层厚度、面层弹性模量，应用Bisar3.0程序计算分析沥青层在高温重载组合作用下剪应力分布规律，为解决重载高温区沥青路面的车辙病害提供思路。

本文研究所采用的路面结构和设计参数见表1。

表1 路面结构和计算参数

荷载图式采用比利时接地面积与轴重经验关系式(A=0.008P+152，其中，A为接地面积，cm2;P 为轮胎荷载，N)。该图式轮压和接地面积均随轴载的增加而增加，圆心距保持31.95 cm不变，最符合实际情况。因为承担越重货物运输的车，统计上越有采用高强高压轮胎的趋势。加载模式见表2。

表2 加载模式

1 不同面层厚度沥青层剪应力分布规律研究

采用弹性层状体系理论计算程序Bisar3.0，改变沥青上、中、下面层厚度，对沥青层内不同深度的剪应力进行计算，层间接触条件设定为完全连续。

1.1 上面层不同厚度沥青层剪应力分布规律研究

上面层厚度分别为3 cm，5 cm，7 cm时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图1所示。

图1 上面层厚度变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图1可以看出，剪应力在沥青层范围内随着上面层厚度的增加而增大;最大剪应力出现在中面层，最大剪应力随着沥青上面层的厚度增加而逐渐增大，最大剪应力从0.313 9 MPa增至0.325 4 MPa，增幅 4%。

1.2 中面层不同厚度沥青层剪应力分布规律研究

中面层厚度分别为4 cm，6 cm，8 cm时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图2所示。

图2 中面层厚度变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图2可以看出，剪应力在沥青层范围内随着中面层厚度的增加而增大;最大剪应力出现在中面层，最大剪应力随着沥青中面层的厚度增加而逐渐增大，最大剪应力从0.313 9 MPa增至0.326 6 MPa，增幅 4%。

1.3 下面层不同厚度沥青层剪应力分布规律研究

下面层厚度分别为5 cm，7 cm，9 cm时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图3所示。

图3 下面层厚度变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图3可以看出，剪应力在沥青层范围内随着下面层厚度的增加而增大;最大剪应力出现在中面层，最大剪应力随着沥青下面层的厚度增加而逐渐增大，最大剪应力从0.313 9 MPa增至0.326 6 MPa，增幅 4%。

2 不同面层模量沥青层剪应力分布规律研究

采用弹性层状体系理论计算程序Bisar3.0，改变沥青上、中、下面层模量，对沥青层内不同深度的剪应力进行计算，层间接触条件设定为完全连续。

2.1 上面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

上面层模量分别为279 MPa，479 MPa，679 MPa时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图4所示。

由图4可以看出，剪应力在上面层范围内随着弹性模量的增大而逐渐增大，在中、下面层范围内有所减小;最大剪应力随着沥青上面层的弹性模量增大而大幅增加，最大剪应力由中面层迁移至上面层，数值从0.320 4 MPa增至0.427 4 MPa，增幅达33%。

图4 上面层模量变化对沥青层内剪应力的影响规律图

2.2 中面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

中面层模量分别为232 MPa，432 MPa，632 MPa时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图5所示。

图5 中面层模量变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图5可以看出，剪应力在中面层范围内随着弹性模量的增大而逐渐增大，在上、下面层范围内则逐渐减小;最大剪应力随着沥青中面层弹性模量的增大而大幅增加，最大剪应力出现在中面层，数值从 0.320 4 MPa 增至 0.394 8 MPa，增幅 23%。

2.3 下面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

下面层模量分别为232 MPa，432 MPa，632 MPa时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图6所示。

图6 下面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图6可以看出，剪应力在沥青层内随着下面层弹性模量的增大而明显减小;最大剪应力随着沥青下面层弹性模量的增大而减小;最大剪应力由中面层迁移至表面层，数值从0.320 4 MPa减小至0.293 8 MPa，减小幅度为8%。

2.4 中、下面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

中、下面层模量分别为232 MPa，432 MPa，632 MPa时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图7所示。

图7 中、下面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图7可以看出，剪应力在沥青层内随着弹性模量的增大而明显减小;最大剪应力随着沥青中、下面层的模量增大而大幅减小，最大剪应力出现在中面层，数值从0.320 4 MPa减小至0.267 9 MPa，减小幅度为16%。

2.5 上、中面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

上、中面层模量分别为279 MPa和232 MPa，479 MPa和432 MPa，679 MPa和632 MPa时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图8所示。

图8 上、中面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图8可以看出，剪应力在上、中面层范围内随着弹性模量的增大而逐渐增大，在下面层范围内则逐渐减小;最大剪应力随着沥青上、中面层的模量增大而大幅增大，最大剪应力出现在中面层，数值从0.320 4 MPa增至0.401 MPa，增幅为25%。

2.6 上、中、下面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

上、中、下面层模量分别为279 MPa和232 MPa，479 MPa和432 MPa，679 MPa和632 MPa时，其他各参数保持不变，沥青层剪应力计算结果如图9所示。

图9 上、中、下面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图9可以看出，剪应力在沥青层内随着弹性模量的增大而明显减小;最大剪应力随着沥青上、中、下面层弹性模量的增大而减小，最大剪应力由中面层迁移至上面层，数值从0.320 4 MPa减小至0.307 2 MPa，减小幅度为4%。

3 结语

1)上、中、下面层的厚度增加均会导致沥青层最大剪应力的增大;2)上面层、中面层、上面层和中面层组合的模量增大会导致沥青层最大剪应力的增大;下面层、中面层和下面层组合及上、中、下面层组合的模量增加可减小沥青层内最大剪应力，其中尤以中面层和下面层模量增加，剪应力减小的幅度最大(16%)，下面层模量增加，剪应力减小的幅度次之(8%)，上、中、下面层模量增加，剪应力减小的幅度最小(4%)。

［1］沈金安.国外沥青路面设计方法总汇［M］.北京:人民交通出版社，2004:176-194.

［2］张登良.沥青与沥青混合料［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［3］沈金安.沥青及沥青混合料的路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［5］吴传海.重载交通沥青路面车辙成因及混合料组成设计研究［D］.西安:长安大学，2008.