基层层间状态对沥青路面荷载应力与疲劳性能的影响

赵殿鹏，杨 平，张 豪

(1．南京林业大学土木工程学院，南京210037;2．浙江省交通运输厅工程质量监督局，杭州311215;3．浙江工业大学，杭州310012)

我国公路沥青路面设计规范［1］中是假设各结构层间完全连续，然而，在实际使用过程中，因路面整个结构层材料属性不同、施工先后不同、路面表面的充分压实和层间污染等问题［2］，层间界面接触状态十分复杂，沥青面层层间、面层与基层层间、基层与底基层层间、底基层与土基之间只能通过不同的接触传递应力［3］。因此，路面的实际工作状态与沥青路面的设计理论不相符合，导致沥青路面力学响应与层间完全连续状态时的假定不同，而层间结合条件对路面结构的应力应变影响很大，进而会直接影响沥青路面的疲劳性能。相关文献研究发现，沥青路面结构层间状态与其力学响应和病害的出现有密切关系［4-5］。赵桂娟等分析了不同水平荷载和面基层间接触状态对沥青路面结构剪应力的影响［6］;倪富建等运用有限元分析法研究了不同基-面层间粘结状态下路面结构力学响应［7］;龚红仁研究了层间状态对沥青路面疲劳开裂与位移的影响［8］;刘春雨等通过室内试验研究了不同基层间接触状态下半刚性基层抗裂性能发现，层间粘结越差半刚性基层抗裂性能越弱［9］。上述研究主要集中于理论分析沥青路面面层-面层之间、基层-面层之间的层间粘结状态对路面性能的影响，或者通过室内试验研究水稳基层间粘结性能及其抗剪强度等指标，并未从力学理论上揭示基层层间状态对沥青路面的疲劳性能影响规律。

为分析半刚性基层间粘结状态对沥青路面疲劳性能的影响，本文基于弹性层状体系理论，利用BISAR程序中剪切弹性柔量AK表征双层半刚性基层的层间粘结状态，分析沥青路面弯沉、层底拉应力和剪应力随AK的变化规律;研究半刚性基层层间粘结状态对路面结构疲劳性能的影响，并通过基层单对数疲劳方程研究分析沥青路面的疲劳性能。

1 计算模型与计算参数

1．1 计算模型

半刚性基层沥青路面是一种多层弹性体系，本文以水泥稳定碎石半刚性基层为研究对象，除了层间结合状况通过BISAR程序中的剪切弹性柔量表征外，其它均采用层状弹性体系假设。计算坐标以车辆行驶的反方向为X轴(即水平力的作用方向)，车轴方向作为Y轴，深度方向作为Z轴，如图1所示。

图1 路面结构受荷简化模型Fig．1 Simplified Model of Pavement Structure Under the Load

1．2 计算参数

为了对水泥稳定碎石基层沥青路面进行路面力学分析，需要先确定路面结构参数，包括:轴载、面层模量、面层厚度、基层模量、基层厚度、地基模量及各结构层泊松比等。

1．2．1 轴 载

采用我国公路沥青路面设计规范的标准轴载(BZZ-100)，主要参数见表1。

表1 标准轴载计算参数Tab．1 Basic Parameters of Standard Axle Load

1．2．2 结构参数

车辆在行驶过程中，除对路面施加垂直载荷外，还存在加减速过程中车轮胎与地面之间的水平摩擦作用力，本文采用摩擦系数f=0．5时对应的水平力，路面结构力学计算参数依据道路设计常用数据手册［9］，见表2。

表2 路面结构参数Tab．2 Parameters of Pavement Structure

2 表征参数

2．1 基层层间状态表征参数

本文采用SHELL设计程序BISAR软件中的剪切弹性柔量AK表示层间粘结状态，剪切弹性柔量的定义式:

式中:AK为剪切弹性柔量，m3/N;μ为层间相对水平位移，m;σ0为表面应力，Pa。

基层层间接触状况采用摩擦参数∂表征，∂与AK的关系:

式中:v为对应结构层泊松比;E为结构层的模量，MPa;a为车轮荷载半径，m。

由上式可知，AK越小，则∂越小，层间粘结越好;AK越小则∂越大，层间粘结越差。当AK=0时，层间为完全粘结状态;AK=∞时，层间为完全光滑状态。考虑到路面的破坏主要是弯拉应力和剪切破坏，∂值分别取 0、0．2、0．4、0．6、0．8 和1．0。分析路表弯沉值、层间剪切应力和层底弯拉应力随∂的变化，以此考察不同基层层间接触状态对路面结构力学响应和疲劳性能的影响。根据表2给定的计算参数，表3给出了∂与简化剪切弹性柔量ALK的对照表。

表3 摩擦参数与简化剪切弹性柔量值对照表Tab．3 Friction Parameter and Simplified Shear Elasticity Soft Value

2．2 疲劳寿命表征参数

影响半刚性基层沥青路面破坏的主要应力分量包括 σx、σy、σz、τxz和 τyz等，其中 σx、σy取正值时代表弯拉应力，引起沥青路面结构开裂破坏;σz取正值时表征层间的拉应力，可以引起层间拉脱破坏;τxz和τyz表示层间剪切应力，可以引起层间剪切破坏。本文参照《沥青路面设计指标和参数研究专题报告一:无机结合料稳定类基层疲劳损坏预估模型研究》［11］中在无机结合料稳定类基层材料疲劳性能现场ALF试验的基础上，提出的室内疲劳寿命预估模型与实际路面疲劳损坏之间的联系的水泥稳定碎石基层材料疲劳损坏预估模型:

式中:Nf为疲劳寿命，次;σf为弯拉应力，MPa;σs为抗弯拉强度，MPa。

3 结果与分析

3．1 基层层间状态对其疲劳寿命的影响

表4中数据表示基层层间状态对水泥稳定碎石半刚性上基层和底基层疲劳寿命的影响。从表4中可以看出:不论是上基层还是下基层，水泥稳定碎石半刚性基层的疲劳寿命均随∂的增大而降低。且当层间粘结状态较好(∂≤0．8)时，下基层的疲劳寿命远远小于上基层的疲劳寿命;但当层间完全光滑(∂=1．0)时，由于上、下基层层间的弯拉应力不能有效传递，上基层疲劳寿命仅为1．91×106次，远远小于下基层的疲劳寿命5．11×106次，上基层的疲劳寿命仅为下基层疲劳寿命的37．4%。

表4 对基层疲劳寿命(106次)的影响Tab．4 Impacts of on base fatigue life

为了量化分析对上、下基层层间粘结状态对疲劳寿命的影响，图2给出了不同层间粘结状态条件下，半刚性基层沥青路面上、下基层疲劳寿命相对于层间完全连续时的衰减率。

图2 基层疲劳寿命随∂的衰减率(与层间完全连续状态相比)Fig．2 Decrease rate of base course fatigue life vs．∂(Compared with completely continuous interlayer state)

由图2可以看出:不同的层间粘结状态(∂)对疲劳寿命的影响程度存在显著差异。下基层疲劳寿命对上、下基层层间状态敏感性差，与层间完全连续状态(∂=0)相比，完全光滑状态(∂=1)的疲劳寿命仅降低了27．74%。然而，上基层疲劳寿命对上、下基层层间状态敏感性显著，与层间完全连续状态(∂=0)相比，完全光滑状态(∂=1)的疲劳寿命的降幅高达了90．31%。由此说明，水稳基层间状态良好时，上面层不会首先疲劳开裂，而疲劳破坏会从下基层向上发展传递;但是水稳基层间状态很差时，疲劳破坏首先发生在上基层。

3．2 层底弯拉应力分析

图3为不同层间接触状态下轮载中心正下方各层底的最大拉应力分布图，其中正为受拉，负为受压。从图3中可以看出:随∂的增大，各层底的拉应力出现不同程度的增长:在不同的层间接触状态下，面层层底皆为压应力，且其应力大小相对稳定;最大拉应力基本出现在下基层底，其大小也相对稳定，变化幅度在10%以内;上基层底最大拉应力虽然相对底基层层底小一些，但是其增幅远远超过了下基层底最大拉应力增幅，当∂大于0．8时，上基层底大于下基层底的拉应力。在基层间完全光滑状态下，上基层底最大拉应力达到了0．265MPa，是完全连续状态时的5．7倍。

图3 不同∂状态下各层底拉应力Fig．3 Tensile Stress at Each Bottom vs．∂

3．3 层间剪应力分析

图4给出了半刚性基层沥青路面各结构层层底最大剪应力随摩擦参数∂的变化图。

图4 不同∂状态下最大剪应力Fig．4 Maximum Shear Stress at Each Bottom at different∂

由图4可见，层底剪应力随深度增加呈显著降低趋势，面层层底是底基层层底剪应力的2倍。各结构层底剪应力水平随着∂增大而出现大幅增长，从完全连续状态到完全光滑状态，上基层底的最大剪应力增幅最大为31%，面层底最大剪应力增长了25%，而下基层底的最大剪应力增幅为12%。该结果可以很好地解释道路层间粘结力衰减过程。道路使用初期层底的剪应力水平较低，在垂直和水平荷载的作用下，各层间的粘结力因剪应力的出现而有不同程度的削减，当层间粘结恶化时各层底的剪应力水平增大，如此反复，形成恶性循环，最后使层间接近光滑状态。因此，提高良好的层间接触状态能够使路面结构各应力重新分布，降低层间剪应力水平和出现层间滑移的可能性，保证了道路结构的力学稳定性。

4 结论

(1)水稳基层间状态良好时，上面层不会首先疲劳开裂，而疲劳破坏会从下基层向上发展传递;但是水稳基层间状态很差时，疲劳破坏首先发生在上基层。

(2)当层间完全光滑(∂=1．0)时，上、下基层层间的弯拉应力不能有效传递，上基层疲劳寿命仅为下基层疲劳寿命的37．4%。

(3)基层间接触不良时，路面结构在车轮荷载的作用下应力水平大幅度提高。基层间完全光滑状态下，上基层底最大拉应力是完全连续状态时的5．7 倍。

(4)半刚性基层沥青路面各结构层底的剪应力随着∂增大而增大。基层层间状态从完全连续状态到完全光滑状态，上基层底的最大剪应力增幅最大为31%，面层底最大剪应力增长了25%，而下基层底的最大剪应力增幅为12%。

［1］中华人民共和国行业标准．公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)［S］．北京:人民交通出版社，2006．

［2］刘 丽，郝培文，徐金枝．半刚性基层沥青路面U形开裂影响因素分析［J］．公路交通科技，2011，28(3):36-41．

［3］张久鹏，武书华，裴建中，等．基于剪切弹性柔量的基-面层间接触状态及路面力学响应分析［J］．公路交通科技，2013，30(1):6-16．

［4］ Xiaoling Zou，Hongren Gong，Boming Tang，et al．Effects of Shear Stress on Pavement Cracking and Interface Disconnecting:A Case Study in Arkansas［C］．TRB Annual Meeting．Washington，DC．2013:1-17．

［5］黄 兵，吴 玉，艾长发，等．结构参数对沥青路面动态响应的影响［J］．公路交通科技，2013，30(9):8-13．

［6］赵桂娟，郭 平．层间接触状态对沥青路面结构剪应力的影响［J］．武汉理工大学学报，2012，34(3):51-54．

［7］倪富建，王 艳，马 翔．不同基层状态下的沥青路面荷载应力分析［J］．公路交通科技，2008，25(12):65-70．

［8］龚红仁，邹晓翎，朱洪洲，等．层间状态对沥青路面疲劳开裂与位移的影响［J］．武汉理工大学学报，2012，34(12):66-70．

［9］刘春雨．吕振北．不同层间接触状态的半刚性基层抗裂性能研究［J］．武汉理工大学学报，2012，36(6):1292-1295．

［10］李 嘉．道路设计常用数据手册［M］．北京:人民交通出版社，2006．

［11］程 箭，许志鸿，张 超，等．水泥稳定碎石设计参数研究［J］．建筑材料学学报，2008，6(6):673-677．

［12］长安大学．沥青路面设计指标和参数研究专题一:无机结合料稳定类基层疲劳损坏预估模型研究［R］．交通运输部交通科技项目专题报告，2007．