级配碎石基层沥青路面非线性力学响应分析

宋志峰，刘海鹏，蒋应军

(1.陕西省交通建设集团，陕西西安 710075；2.长安大学教育部特殊地区公路工程重点实验室，陕西西安 710064）

0 引言

级配碎石柔性基层作为一种古典的路面结构，国外已广泛应用于路面基层与底基层，国内则较少应用，除了受“强基薄面”思想的影响外，更重要的是对级配碎石柔性基层力学性状及工程性质认识的不足。为了满足新形势下的交通发展需求，丰富我国公路路面结构的形式，深入研究并揭示级配碎石物理力学特性具有的工程实际意义。

级配碎石属颗粒性材料，具有明显的颗粒性结构特征和非线性力学特性，其物理力学特性复杂。目前，相关研究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，而涉及级配碎石柔性基层沥青路面非线性力学响应的研究相对较少。鉴于此，笔者就沥青面层厚度、级配碎石基层厚度和模量3个路面结构参数，对级配碎石柔性基层沥青路面进行非线性力学响应分析，旨在明确级配碎石柔性基层沥青路面结构层位功能，为结构与材料设计优化奠定理论基础。

1 基本理论

级配碎石基层沥青路面力学模型为层状体系理论：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，但在水平方向为无限；上层表面作用着轴对称圆形均布垂直荷载；层间接触面假定为完全连续[2]。考虑到级配碎石为非线性材料，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，本文采用非线性路面力学分析软件——KENPAVE，探讨级配碎石柔性基层沥青路面力学响应。为了描述级配碎石层的非线性特征，首先假设其弹性模量，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[3]。

2 计算模型与计算参数

以双轮组单轴载100kN、150kN、200kN为计算轴载，简化为双圆均布荷载的轮载半径分别为10.65cm、12cm、13.26cm，接地压力分别为0.7MPa、0.829MPa、0.906MPa。计算简图见图1，各结构层材料参数见表1。

图1 计算模型

表1 沥青路面结构

3 路面非线性力学响应计算结果与分析

3.1 沥青面层最大剪应力

沥青面层厚度、级配碎石基层厚度和模量对沥青面层最大剪应力的影响规律见图2～图4。

图2 沥青面层厚度对沥青面层最大剪应力的影响

图3 级配碎石基层厚度对沥青面层最大剪应力的影响

图4 级配碎石基层模量对沥青面层最大剪应力的影响

由图2～图4可以看出，沥青面层厚度为9cm时，面层最大剪应力水平最高；级配碎石基层厚度为30cm时，面层最大剪应力水平最低；面层最大剪应力随级配碎石基层模量的增大而降低，级配碎石模量由300MPa增至600MPa，即提高2倍，沥青面层最大剪应力减小170～200kPa，约降低38%以上。

综上可知，面层厚度9cm为沥青面层剪应力最不利厚度；基层厚度30cm为沥青面层剪应力最佳厚度；增加基层模量可降低沥青面层剪应力，以防止沥青面层车辙破坏。

3.2 沥青面层层底应力

沥青面层厚度、级配碎石基层厚度和模量对沥青面层层底应力的影响规律见图5～图7。其中，沥青面层层底应力正值为压，负值为拉。

图5 沥青面层厚度对沥青面层层底应力的影响

图6 级配碎石基层厚度对沥青面层层底应力的影响

图7 级配碎石基层模量对沥青面层层底应力的影响

由图5～图7可以看出，面层厚度为12cm时，沥青面层层底拉应力水平最高；级配碎石基层厚度为30cm时，沥青面层层底拉应力水平最低；沥青面层层底拉应力随级配碎石基层模量的增大而降低，且逐渐由受拉状态向受压状态转化，级配碎石模量由300MPa增至600MPa，即提高2倍，沥青面层层底拉应力减小450~500kPa。

综上可知，面层厚度12cm为沥青面层层底拉应力最不利厚度；基层厚度30cm为沥青面层层底拉应力最佳厚度；增加基层模量可降低沥青面层剪应力，以防止沥青面层疲劳破坏。

3.3 级配碎石基层最大剪应力

沥青面层厚度、级配碎石基层厚度和模量对级配碎石基层最大剪应力的影响规律见图8～图10。

图8 沥青面层厚度对级配碎石基层最大剪应力的影响

图9 级配碎石基层厚度对级配碎石基层最大剪应力的影响

图10 级配碎石基层模量对级配碎石基层最大剪应力的影响

由图8～图10可以看出，级配碎石基层最大剪应力随沥青面层厚度的增大而降低，面层厚度由5cm增至15cm，即提高3倍，剪应力减少100~150kPa，即降低40%以上；基层剪应力随其厚度的增大而增大，基层厚度由20cm增至60cm，即提高3倍，剪应力增加5~10kPa，提高不足3%；随着级配碎石模量的增大，级配碎石基层最大剪应力相差10~20kPa，即相差不超过7%，说明级配碎石基层厚度和模量对其剪应力影响不显著。

综上可知，增加面层厚度、减小基层厚度和增加基层模量可降低基层剪应力，以防止级配碎石基层剪切破坏。

4 结论

（1）沥青面层厚度增大，级配碎石基层最大剪应力降低，且面层厚度为9cm时面层剪应力最不利，12cm时面层层底拉应力最不利。

（2）级配碎石基层厚度对基层剪应力的影响不显著，且当基层厚度为30cm时，沥青面层剪应力、层底拉应力出现最小值，因此，建议级配碎石基层厚度为30cm。

（3）级配碎石模量增大，沥青面层最大剪应力、层底拉应力和基层最大剪应力均有不同程度降低。因此，应设法提高级配碎石模量，以防止沥青面层疲劳破坏和车辙破坏。

[1] 邓学钧，黄晓明.路面设计原理与方法[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 黄仰贤，余定选，齐诚译.路面分析与设计[M].北京：人民交通出版社，1998.

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