泊松比取值对柔性基层沥青路面结构的受力影响

王 伟，邢渊浩

（内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010）

1 引言

沥青路面结构设计必须对路面的结构参数如层厚、模量、泊松比等予以考虑，这些参数对于路面结构受力特征影响较大。杨群等[1]分析了基层模量对路面性能的影响，发现面层竖向压应力会随着基层模量的增高而增加；卜建清等[2]对半刚性基层沥青混凝土路面进行了动力响应参数化分析，认为基层泊松比增大时路表最大弯沉呈增大趋势。

道路设计中，路面各层厚度、各层弹性模量值都有较明确的值，而泊松比由于其本身试验测试的难度，常取为某一常数，很显然这是不合理的。有研究表明，泊松比是温度和应力状态的函数[3]，目前在路面设计中还较少考虑泊松比变化的影响。

泊松比取值对于路面结构动力响应的影响是多方面的，包括宏观的路表弯沉，以及微观的面层层底拉应力、剪切应力和土基顶面压应变等。目前泊松比的取值是人为选择的，并没有考虑实际材料的真实情况。实际沥青混合料泊松比的取值规律还有待于进一步研究，这是因为首先沥青混合料是典型的弹粘塑性材料[4]，泊松比是随着温度、应力状态变化的；其次目前常用的测试手段也存在不合理之处，如常用的单轴压缩试验存在自由端部约束引起变形不均匀的问题，传统的位移传感器采集模式会包含端部约束引起的不均匀变形。乔英娟等[5]开发了非接触式测量系统，沥青混合料泊松比的取值有了一定进展，但其实际应用有待于检验。

针对现有研究现状，本文将着重研究泊松比变化对柔性基层沥青路面结构动力响应的影响。

2 试验方案

2.1 材料参数

文章所采用的《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）某一典型柔性沥青路面结构，如图1所示。

图1 路面结构模型示意图

文章沥青混合料采用动态压缩模量作为试验设计参数，以20℃作为沥青混凝土试验温度，面层沥青混合料加载频率采用10Hz，基层沥青混合料加载频率采用5Hz；粒料层回弹模量采用重复加载三轴压缩试验结果均值[6]。

各结构层的模量取值见表1。

表1 材料模量取值

为分析沥青混合料泊松比的取值对沥青路面结构应力应变的影响，本文选取土基和级配碎石的泊松比为定值，沥青混合料的泊松比为变量。选取沥青混合料泊松比取值范围为0.2～0.5，并且面层沥青混合料泊松比取值相同，具体取值见表2。

表2 材料泊松比

2.2 计算模式

采用壳牌计算软件Bisar 3.0 进行计算。采用双圆均布荷载形式，标准轴载P=100kN，轮胎接地压强P=0.7MPa，荷载半径R=10.65cm，两轮间隙10.65cm。以单圆荷载中心（B 点）、轮隙中心（C 点）以及在单圆荷载中心和轮隙中心之间加密的D点和E点为计算点，并取较大值作为计算值[7]，如图2所示。

图2 计算图示

3 试验结果与分析

3.1 路表弯沉

路表弯沉值是我国沥青路面设计规范中所采用的一项重要验收指标，其不仅反映路面各结构层和土基的整体强度，同时也反映了路面各结构层的刚度，并且与路面的使用状态存在着一定联系。通过对弯沉大小的监控与检测，可以防止路面发生沉陷、变形、网裂等因综合强度不足所导致的损坏[8]。本文选定的不同泊松比下沥青路面弯沉值计算见表3。

表3 路表弯沉值（0.01mm）

由表3可以看出，沥青路面弯沉值随着沥青混合料的泊松比的增大而逐渐减小。当泊松比由0.2 增大至0.5时，路表弯沉减小幅度为7.6%。

3.2 沥青面层层底拉应力

沥青面层层底拉应力或拉应变过大是沥青路面疲劳开裂主要原因[9]，本文计算不同泊松比条件下柔性沥青路面的上面层，中面层和下面层层底拉应力，计算结果见表4、图3。

由表4 可以看出柔性沥青路面上面层层底受到压应力，中面层和下面层层底受到拉应力。随着沥青混合料泊松比的增大，上面层层底压应力和中下面层层底拉应力也随之逐渐增大，增大幅度如图3所示。当泊松比由0.2 增大至0.5 时，从上面层到下面层，层底拉（压）应力的增幅分别为49.3%、83.4%、32.4%。分析数据可以得出，面层层底拉（压）应力对泊松比的变化较为敏感，中面层尤为明显，其层底拉应力增幅甚至接近1倍。

表4 面层层底拉应力（×10-2MPa）

图3 不同泊松比下的沥青路面面层层底拉应力

3.3 沥青面层层内剪切应力

沥青路面结构破坏的主要原因包括沥青路面剪切破坏，因此有必要对沥青面层层内剪切应力进行验算。本文分别计算柔性沥青路面面层各分层中点的剪切应力，计算结果见表5。

表5 面层层中剪切应力(MPa)

由表5可以看出随着泊松比取值的增大，上面层层中剪应力逐渐增大，中面层层中剪应力逐渐减小，下面层层中剪应力逐渐增大但增大幅度不大，增大趋势如图4所示。当泊松比由0.2增大至0.5时，上、中、下面层层中剪切应力变化幅度分别为18.5%、-18.2%、3.5%，负数表示减小幅度。可以看出沥青混合料泊松比的取值大小对上面层和中面层层内剪应力影响较大，对下面层层内剪应力影响较小。

图4 面层层中剪应力

3.4 土基顶面压应变

土基顶面压应变直接反映路面结构整体刚度，国外设计方法常采用土基顶面竖向压应变作为路面结构设计指标[10]。本文所选取的不同泊松比条件下柔性沥青路面土基顶面压应变计算结果见表6。由表6可以看出，土基顶面压应变随泊松比的增大而逐渐减小，当泊松比由0.2 增大至0.5 时，土基顶面压应变减小幅度6.3%。沥青混合料泊松比取值的增大对土基顶面压应变计算值有一定的影响。

表6 土基顶面压应变（×10-4）

4 结语

①沥青路面弯沉值随着沥青混合料的泊松比的增大而逐渐减小。当泊松比由0.2 增大至0.5 时，路表弯沉减小幅度为7.6%。

②面层层底拉（压）应力对泊松比的变化较为敏感，中面层尤为明显，其层底拉应力增幅甚至接近1倍。

③沥青混合料泊松比的取值大小对上面层和中面层层内剪应力影响较大，对下面层层内剪应力影响较小。

④土基顶面压应变随泊松比的增大而逐渐减小，当泊松比由0.2 增大至0.5 时，土基顶面压应变减小幅度6.3%。