复合式基层沥青路面结构剪应力研究

王丽娟

(新疆西域公路建设集团有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

我国高速公路大量采用半刚性基层，这不可避免地使沥青路面产生反射裂缝，以致在通车初期就发生较严重的早期破坏［1］。为了防止该现象的产生，本文提出3 种复合式基层沥青路面结构，并对结构层剪应力进行研究。

复合式基层路面结构就是在半刚性路面结构的基础上，在半刚性基层与沥青混凝土面层之间增加了一层起应力分散作用的柔性材料，目前可以选用的柔性上基层材料有沥青稳定碎石和级配碎石，通常情况下只选择两种材料中的一种作为上基层，但也可以同时选用这两种，就是用沥青稳定碎石作为下面层，级配碎石做上基层［2］。

1 复合式基层路面计算

复合式基层路面中，由于半刚性底基层提供了一个刚度大且平整的基础平台，上面的柔性基层在施工碾压过程中更容易被压实，结构内碎石嵌挤紧密，结构层能获得更高的强度。下面就3 种复合式基层各自特点分析如下:

1)沥青稳定碎石上基层+无机结合稳定料底基层结构。

沥青稳定碎石和沥青混凝土的特性比较接近，这两种材料的模量差别也不大，使得沥青混凝土面层底部不会产生过大的弯拉应力。较半刚性基层沥青路面而言，这种结构内的各层应力水平均较低。并且一般不用采取其他特殊的措施，沥青混凝土就能很好地粘结在沥青稳定碎石上基层上，有利于延长路面结构的使用寿命［3］。

2)级配碎石上基层+无机结合稳定料底基层结构。

这种结构中的级配碎石层一方面能扩散和吸收半刚性底基层裂缝尖端的应力，能大大减小裂缝反射到沥青混凝土面层中的可能性;另一方面，增加的级配碎石加大了半刚性底基层至路面的厚度，能扩散车轮荷载的垂直压应力，同时，级配碎石还有保湿隔热的功能，大大减小了半刚性底基层产生温缩干缩裂缝的可能性。较高密度的级配碎石还能减弱上下两侧裂缝的沉降差传递，因此，这种结构能有效地预防反射裂缝，能延长整个路面结构的寿命。

3)沥青稳定碎石下面层+级配碎石上基层+无机结合料稳定集料底基层结构。

这种结构兼具上述两种结构材料的特点，并且沥青稳定碎石兼具路面面层结构的功能，故可适当减小沥青混凝土面层的厚度，能够节约成本。但沥青稳定碎石材料各项路用指标较沥青混凝土稍差，因此，这种路面结构的行车舒适性不如第1 种结构。

1.1 结构参数

第1 种和第2 种结构均为一种柔性材料的复合式基层结构，因此，选取第1 种和第3 种结构形式做力学计算分析，具体结构形式及材料参数如表1［4］。

表1 结构1 和结构3 各层厚度及材料参数

1.2 计算模型

采用荷兰壳牌石油公司开发的BISAR 3.0 软件进行计算，并假设结构层各层完全连续。考虑到现今交通发展的趋势是超载超重现象越来越频繁，并且路面结构性损害主要是重载交通造成的。因此，本文选用的是超载汽车轴载模型，如表2。

表2 超重汽车轴载模型

在BISAR3.0 软件中，拟定行车方向为X 轴，垂直于行车方向的车轴方向为Y 轴，路面深度方向为Z 轴。在本模型中，荷载和材料都是对称布置的，结构内的受力最不利位置在Y 轴上，因此，在Y 轴的正负方向共选取17 个点分析其应力应变情况，每个点的水平间距取1/2 轮压半径，即0.5R=0.058 7，具体点坐标详见表3［5］。

表3 力学分析点水平坐标

垂直方向上靠近路面顶面每1 cm 取一个层面，越往下越稀疏。

2 剪应力分析

2.1 计算结果

选取的复合式基层路面结构，材料参数按15 ℃时的模量值，通过BISAR3.0 计算其在轴重为140 kN 的双圆荷载下，面层结构层中部及各结构层层底剪应力，计算结果如表4。

表4 复合式基层结构1、3各层剪应力计算结果表

用Matlab7.0 对计算结果进行三维处理显示，结果如图1、图2。

图1 复合式基层结构1 剪应力三维图

图2 复合式基层结构3 剪应力三维图

其中，复合式基层路面结构1、结构3 的最大剪应力分别为0.257 MPa 和0.264 MPa。

2.2 结果分析

为了更直观的观察分析，将表4 制成横坐标为道路深度，纵坐标为剪应力大小的折线图，如图3。

图3 复合式基层结构1、3 各层剪应力结果对比分析图

通过观察分析图1 和图2 可知，复合式基层路面结构的最大剪应力一般发生在路面以下大约18 cm 左右的位置。荷载中心的剪应力并不是沿着路面深度方向慢慢减弱的，而是先突然增大到一个峰值，再减小，然后再在柔性基层和半刚性基层结合处再出现个次峰值，最后沿路面深度方向慢慢减弱。值得注意的是，沿路面横断面方向上，剪应力的最大值并不是产生于单圆荷载的中心位置，而是产生在双圆荷载中的轮压两侧的路表面下，由此不难理解，在高温重载条件下，沥青路面容易产生车辙的原因了。比较图1 和图2 还可以清楚的看到，结构1 中的基层剪应力峰值要小于结构3 的，并且峰值出现的深度要深于后者，有利于路面结构的长期使用寿命。

由图1 和图2 还可以看出，结构内部剪应力关于荷载中心轴完全对称，在路面结构层中，剪应力分布复杂，而路面结构基层中的剪应力基本较均匀，由此可知，修筑复合式基层结构路面时尤其应该注意面层的质量控制。复合式基层路面结构内的高水平剪应力区通常分布在路面结构的中面层范围内，其次，结构1 的面层与基层结合处和结构3 的柔性基层与半刚性基层结合处也是高水平剪应力区。两单圆荷载中心区域处于较高水平的三相应力环境下，剪应力水平不是很高，反而两单圆荷载的外侧路面结构中的剪应力较大，并且向Y 轴绝对值增大的方向逐渐减弱。

由图3 可知，复合式基层路面沥青路面结构1的剪应力最大值在路面深度13 cm 的AC－20C 中面层与AC－25F 下面层的结合处，为0.253 MPa，而复合式基层沥青路面结构3 的最大剪应力在路面深度29 cm 的ATB－25 下面层与级配碎石上基层的结合处，为0.258 MPa。两者的剪应力值虽然差不不大，但仍可以看出后者的最大剪应力值略大于前者，这是由于复合式基层沥青路面结构3 的面层厚度只有15 cm 远小于结构1 的25 cm。

仅从单圆荷载中心沿深度方向来看路面结构内部剪应力变化趋势可知，剪应力在中面层、面层与基层结合处有2 个峰值，对于均匀的半空间无限体结构模型在类似的双圆均布荷载下一般只会在距顶部不远处只产生一个峰值，复合式基层路面结构产生第2 个峰值的主要原因是沥青面层与级配碎石材料的差异较大，特别是模量比较大。

通过对两种不同的复合式基层沥青路面结构在超载双圆均布荷载作用下的剪应力分析可知，复合式基层沥青路面结构内部沿路面深度方向剪应力曲线形状基本相同，即将在中面层、面层和基层结合处出现2 个峰值，曲线具体的起伏大小与具体的材料特性有关。

3 两种复合式基层结构对比

本文选用的复合式基层路面结构1 中，包括12 cm 厚的ATB－30 在内的结构层在内，半刚性基层结构以上厚度高达37 cm。ATB－30 与上中下3 层沥青混合料材料特性相似，能较好的粘结在一起，能充分发挥沥青混合材料的抗疲劳性能，半刚性基层刚度大、整体性强，下卧深度深更能发挥其分散路面汽车荷载的作用，一定程度上能减小汽车荷载引起的路基内部的剪应力。若采用较厚面层结构的沥青路面，沥青混合料层底弯拉应力、应变将会减小，沥青混合料面层产生疲劳裂缝的概率将大大降低，能大大延长整个路面结构的使用寿命［6］。沥青稳定碎石材料较沥青混凝土，材料内部流动性差，在下卧的整体板块性强的半刚性基层上面铺装，其能获得更加密实的效果，复合式基层中的沥青稳定碎石不容易发生剪切流动现象。沥青稳定碎石作基层，能较好的与材料性能相似沥青混凝土面层粘结在一起，限制沥青混凝土的剪切流动，能减轻沥青路面车辙病害。从结构1 与结构3 剪应力计算结果可以看出，沥青面层厚的结构，整体的剪应力水平也会降低，这一方面也能减小车辙病害产生。

本文选用的复合式基层路面结构3 中，较结构1 相比把12 cm 厚的AC－25F 下面层替换14 cm 后的ATB－25，用22 cm 后的级配碎石做上基层与下卧的半刚性基层组合成另一种形式的复合式基层结构。这种结构级配碎石的功能特点是:分散了汽车荷载对半刚性底基层的应力，减弱了汽车荷载对半刚性底基层的疲劳作用，延长了半刚性底基层的疲劳寿命。在半刚性底基层产生裂缝后，一方面，级配碎石几乎不具有抗拉能力，能消散半刚性底基层裂缝尖端处的应力集中;另一方面，级配碎石“自愈”能力强，在汽车荷载作用下，级配碎石中的细小颗粒能重新移动弥合半刚性基层产生的裂缝变形。这两方面都能有效的预防半刚性基层产生裂缝后向上反射形成反射裂缝。在此结构中，级配碎石还有一个功能就是“保温”、“隔湿”的作用，级配碎石加厚了半刚性底基层距离路表面的距离，减弱了半刚性底基层受环境影响发生干缩温缩的影响。结构3 中，级配碎石从这几个方面都减小了整个结构产生反射裂缝的可能性，能有效的延长路面结构的使用寿命［7］。

4 结语

1)复合式基层沥青路面结构是在预防半刚性基层沥青路面发生反射裂缝病害的基础上提出的，从目前国内外对这种路面结构的研究结果来看，这种结构能有效的预防反射裂缝的产生，延长路面的使用寿命。并且复合式基层沥青路面结构从成本和施工技术难度来说，都与我国大规模建设使用的半刚性基层路面结构差异不大，在我国推广具有可行性。

2)复合式基层路面结构内剪应力的分布情况:荷载横断面上，剪应力的最大值既不在两个单圆荷载连线的中间，也不再单圆荷载的中心，而是在单圆荷载两侧的路表面以下一点;路面深度方向，剪应力会在中面层、面层与基层结合处出现2 个峰值，具体的应力曲线与结构材料的特性有关。从复合式基层沥青路面结构的设计来说，选择抗剪性能良好的中面层材料和处理好面层与基层之间的过渡对于延长整个路面的使用寿命同等重要。

3)较厚的沥青面层结构，路面的剪应力水平也会降低，同等荷载条件下，能减弱汽车荷载对路面的疲劳作用强度，延长路面的疲劳寿命。

［1］石桂梅.复合式基层沥青路面级配碎石上基层的抗剪性能［J］.建筑材料学报，2011，14(4):502－559.

［2］伍祥松.重载交通下不同基层类型沥青路面结构应力分析［J］.公路交通技术，2012(1):19－22.

［3］黄开宇.沥青稳定碎石基层结构的应用技术研究［J］.公路工程，2009，34(2):48－59.

［4］张艳红，王晓帆.对两种复合式基层沥青路面剪应力的分析与思考［J］.中外公路，2010，30(3):107－110.

［5］申爱琴，张艳红，郭寅川，等.三类沥青路面结构力学响应的对比分析［J］.长安大学学报(自热科学版)，2009，29(4):1－7.

［6］张艳红，王晓帆.层间接触条件对沥青路面力学响应的影响［J］.长安大学学报(自热科学版)，2012，32(5):7－33.

［7］张书文，蔡燕霞.基于疲劳寿命的对复合式基层沥青路面再思考［J］.公路工程，2010，35(3):28－31.