倒装式级配碎石层厚度对沥青路面设计指标的影响研究

2014-05-28陈文强王清华龚芳媛

湖南交通科技 2014年4期

陈文强，王清华，龚芳媛

(1.贵州省安顺市交通建设工程质量监督站，贵州安顺 561000; 2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

目前我国大多数的高速公路采用的是半刚性基层。早先提出的“强基薄面”的路面结构设计思路也一直在沿用。但是在工程实际中，这种传统的路面结构也出现了一系列的问题:冲刷、唧浆、龟裂和坑槽;路面裂缝;车辙、壅包;面层与基层分离等［1］。在这些病害中，最为普遍的是裂缝。对于半刚性基层而言，反射裂缝是对道路路面危害最大的一种病害。反射裂缝不仅仅对基层产生致命性病害，也对面层产生很大的危害［2］。鉴于以上原因，现在国内外对柔性基层开展了大量的研究。广泛的研究表明:柔性基层可以在很大的程度上减少水毁坏;柔性基层稳定性好，基本上不会产生反射裂缝;结构稳定，由于不会产生反射裂缝，当沥青路面出现裂缝病害时，只需要对沥青面层进行维护，而不必从基层开始，这样可以减少工程量、减少工期、极大地减少运营和维护成本，并对交通的影响降到最低［3，4］。

当沥青路面采用级配碎石材料时，会为上面的结构层提供一个良好的施工层，同时能够阻止上面结构层的水下渗和排水的作用，在开放交通后在车辆荷载作用下不会产生较大的永久变形，一般也不会发生结构性失稳［3］。

我国的沥青路面设计方法不同于美国的AI 法、SHRP 法、经验法等，主要采用力学－经验法。我国的沥青路面设计指标采用弯沉值和结构层的层底拉应力。在设计规范中指出，各材料的抗压回弹模量是沥青路面设计的主要设计参数，并且认为级配碎石可以作为各等级公路的基层，表1是其取值范围。

表1 规范规定的模量

当作为基层材料时，如果沥青层模量为1 200 MPa，其与级配碎石的模量比在3.4～6 之间，这样会极大地增加层底拉应力，会使级配碎石的厚度大大增加，使造价增高。相关实验证明，级配碎石在行车荷载作用下会产生塑性变形，即表现为路表车辙，这将会影响行车安全。那么在沥青路面设计中一定要着重注意弯沉值的计算。哈工大的王龙等认为当级配碎石的弹性模量较低时，这会对弯沉值产生比较大的影响，当级配碎石的模量大于500 MPa 时，级配碎石模量的影响因素会减少［5］。

1 层底拉应力与级配碎石厚度的影响

现行的规范以层底拉应力作为验算指标，以防止疲劳破坏。当沥青道路采用级配碎石作为基层或者底基层时，面层的模量会普遍的高于基层，为了控制面层的裂缝，必须进行层底拉应力的验算。相关实验表明:重复使用的拉应力与混合料的劲度模量的比值，也就是拉应变，可以再影响沥青路面的疲劳寿命。我国设计规范中采用的疲劳方程，以拉应力δt代替拉应变 εt:Nf=aσ－bt 。规范认为Nf=1 的拉应力为极限抗拉强度，把ft代入疲劳方程换算从而得出抗拉强度结构系数ks公式:

式中:ft为极限抗拉强度;σr为容许拉应力;f 为试验参数。

本文依托我国吉林省通化某条试验路，在此基础上选择我国高速公路常用的路面结构层厚度，建立在标准荷载(BZZ－100)作用下级配碎石与层底拉应力的关系。

1.1 参数设置

根据对该试验路的研究，基层的要求厚度为30～40 cm，在计算中取值为35 cm。沥青面层采用上面层5 cm，中面层6 cm，下面层8 cm。在计算过程中，假定级配碎石考虑弹塑性，其他各层均认为弹性。沥青层各层的弹性模量均参考我国沥青路面的设计规范。针对该试验路，级配碎石弹性模量的取值400 MPa。考虑到材料的弹塑性，采用Drunker-Prager 屈服准则。具体参数如图1。泊松比除土基选用0.35 外，其他均采用0.25。

图1 计算图示

采用ABAQUS 软件进行计算，具体参数设置如下:

X、Y 方向均为5 m，Z 方向为各层的厚度，行车方向与X 轴平行。各层之间假定为层间完全接触，且不发生滑动。底面上的X、Y、Z 轴位移均为0。荷载条件采用我国道路设计规范中的标准荷载(BZZ－100)。道路三维结构如图2所示。

1.2 计算结果

为探究层沥青层底拉应力与级配碎石厚度的关系，级配碎石的厚度分别取值为 h4=10，15，20，25，30 cm，用ABAQUS 分别进行计算。计算结果如表2和图3所示。

图2 三维道路结构模型

表2 层底最大拉应变计算结果

图3 沥青层层底最大拉应变与厚度之间的关系

1.3 沥青层底最大拉应力计算模型

将上图的最大拉应变εm与级配碎石厚度h 之间进行分析，得到如下的关系:

得到的相关系数R2=0.971。

在模量已知的情况下，则层底最大拉应力为:

那么沥青层层底最大拉应力为:

由上分析可以得知:

1)沥青层层底拉应变与级配碎石厚度有着很高的相关性，两者之间并不是线性关系，而是呈一种幂指数关系。在已知弹性模量的情况下，随着级配碎石厚度h 的增大，沥青层层底最大拉应力σmax会随着增大。

2)分析图3可知，沥青层层底最大拉应变的变化率在15 cm 左右处出现突变，以后的变化率变大且保持基本不变。15 cm 以前的层底拉应变增长不大，而15 cm 拉应变随厚度的增加而快速增长。

3)通过分析该式可知，沥青层层底最大拉应力σmax不仅仅由级配碎石厚度h 决定，弹性模量E 也有作用，而且在计算沥青层层底最大拉应力时应通过反复计算比较级配碎石厚度h 与弹性模量E 之间的关系进行确定。

4)通过以上计算式，利用已知的级配碎石厚度可得的层底最大拉应变，再利用弹性模量进而可以得到最大拉应力σmax。

5)由图3分析可知，由于级配碎石的模量较低，当级配碎石的厚度增加后，沥青层底拉应力也会增加，同时其下伏的半刚性基层对其的支撑也相应降低。

6)级配碎石在此道路结构中作为反射裂缝抑制层与应力吸收层，防止半刚性基层的反射裂缝向上扩散到路面［6］。但是级配碎石的厚度增加会使其承受更大的应力，从而会造成级配碎石层的破坏。所以，综合考虑，级配碎石的厚度要控制在15 cm 范围以内。

1.4 沥青层底最大拉应力与级配碎石模量之间的关系

由以上的计算式可知，层底最大拉应力与级配碎石模量有一定的关系。所以探讨层底最大拉应力与模量的关系。取级配碎石厚度15 cm，级配碎石模量取值为 200、300、400、500、600 MPa。计算结果如图4所示。

图4 拉应力与级配碎石模量关系

分析图4可知，层底拉应力与级配碎石模量有较大的关系，层底拉应力随着级配碎石的模量增大而减小。大量的实验证明，级配碎石的模量越大越有好处，模量越小，层底拉应力即有可能达到极限值。因此，有关资料证明，要满足使用要求，级配碎石的模量一般要求大于400 MPa 以上。因此，应采用优良的级配碎石材料，以增大其模量，以减少沥青面层层底疲劳破坏［7］。

2 弯沉值与级配碎石厚度的关系

路面结构的路表弯沉是道路设计中非常重要的设计指标之一。弯沉值越大的路面，越容易受到破坏。路表弯沉值作为设计指标能够从总体结构与宏观方向控制路面结构在设计年限内工作情况［8］。

2.1 参数设置

针对该试验路，利用BISAR3.0 软件，计算h =10，15，20，25，30 cm 的弯沉值。其弹性模量均取400 MPa，其各项参数均沿用表1的数据。

2.2 计算结果

计算结果见表3和图5。

表3 弯沉值计算结果

图5 级配碎石厚度与弯沉值之间的关系

2.3 弯沉值模型建立

数据经过处理计算后得到的关系为:

通过分析表3和图5可以得到:①路表弯沉值与级配碎石厚度具有良好的相关性，相关系数R2=0.955;②随着级配碎石厚度的增加，路表弯沉值增加。说明级配碎石厚度的增加，会影响道路的使用寿命;③图5中，弯沉值随厚度增加而增大，但增大的幅度很小，表明级配碎石达到一定的强度后，路表弯沉值会基本不变;④弯沉值增加的原因可能是，级配碎石过厚会承担部分应力，致使级配碎石发生变形，从而导致路表弯沉值的增加;⑤综上，为防止路面的弯沉值过大，级配碎石的厚度要严格控制，有研究认为级配碎石的厚度在10～20 cm 是合适的［9，10］。那么结合级配碎石厚度与沥青层底最大拉应力的关系，可以进一步缩小范围，级配碎石的厚度取为10～15 cm。