半刚性基层沥青路面结构设计

刘笑同，黎育文

（1.萍乡公路勘察设计院有限责任公司，江西 萍乡 337000；2.萍乡市上栗公路事业发展中心，江西 萍乡 337009）

0 引言

某城市次干路沥青路面结构自上而下依次为4cm 厚的细粒式沥青混凝土、6cm 厚的中粒式沥青混凝土、54cm 厚且水泥含量5%的水稳碎石基层。车辆紧急制动过程中，水平力系数瞬间达到0.5 以上，考虑到高温环境下路面摩擦因数降低，故在沥青面层剪应力计算时取水平力系数为0.5[1]。本文主要通过该次干路半刚性基层沥青路面设计指标的理论计算，在弹性半空间体计算理论的基础上，应用BISAR 软件进行半刚性基层路面结构力学响应分析，为沥青路面结构设计提供参考。

1 设计指标

沥青路面结构设计主要受路面结构设计荷载及路面结构内部力学响应两类因素的影响。根据《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169—2012）的规定，主干路、快速路半刚性沥青路面设计指标应选择路表弯沉值、半刚性材料基层层底拉应力、沥青层剪应力等；路面结构设计标准轴载选择100kN 的单轴双轮组荷载，各轮轮载25kN，单轮轮痕当量半径10.65cm[2]。沥青路面受双圆荷载作用后荷载情况详见图1。图中A 为沥青路面路表弯沉值计算点位，也就是双轮轮痕中心点；B 为半刚性基层层底拉应力计算点，即单圆荷载中心点；C 双轮轮痕中心点；D 是荷载外边缘距单圆荷载中心0.9r 处的面层剪应力计算点，E 为路表距单圆荷载中心点r 处的面层剪应力计算点。

图1 沥青路面受双圆荷载作用后荷载情况（单位：cm）

规范中所提出的设计指标必须在满足可靠度要求的同时满足以下条件：

式（1)～(3）中：γa：表示可靠度系数，可靠度为90%时取1.05；Ls：表示计算弯沉值（0.01mm）；Ld：表示设计弯沉值（0.01mm）；σm：表示基底拉应力最大值（MPa）；[σR]：表示半刚性基层材料允许抗拉强度（MPa）；tm：表示路表剪应力最大值（MPa）；[tR]：表示沥青面层材料允许抗剪强度（MPa）[3]。

2 路面结构设计指标验算

2.1 路面结构指标计算

根据道路等级、基准期内累计当量轴次、基层类型等综合确定沥青路面设计弯沉值，如式（4）所示。

式（4）中：ld：表示沥青路面设计弯沉值（0.01mm）；Ne：表示基准期内累计当量轴次；Ac：表示道路等级系数，次干路为1.1；As：表示道路路面类型系数，沥青混合料面层取1.0；Ab：表示道路基层类型系数，半刚性基层取1.0。将相关参数取值代入式（4）后得到该次干路设计弯沉值为27.45（0.01mm）。

根据半刚性材料应力-荷载作用次数关系疲劳方程推算半刚性基层材料允许抗拉强度，如式（5）所示。

式（5）中：σs：表示水稳材料90d 龄期劈裂强度（MPa），该次干路取0.5MPa；Ks：表示无机结合料稳定集料累抗拉强度机构系数。根据式（5）可得出次干路基底半刚性基层材料允许抗拉强度取0.275MPa。

根据沥青面层材料60℃抗剪强度与所对应的抗剪强度结构系数，确定半刚性沥青路面材料允许抗剪强度，即：

式（6）中：ts：表示沥青面层材料60℃抗剪强度值，该次干路取0.6MPa。通过式（6）可得该次干路沥青面层允许抗剪强度取0.55MPa。

2.2 路面结构指标验算

应用BISAR 软件计算沥青面层弯沉值时必须借助修正系数将竖向变形转换为弯沉值，转换后的结果为Ls=21.41（0.01mm），满足γaLs≤Ld的要求。半刚性材料基层底拉应力取B、C 两点中的较大值，勘测结果显示C 点半刚性基层底拉应力最大，满足γaσm≤[σR]要求。沥青面层剪应力最大值取D、E 两点中较大的E 点值，能满足γatm≤[tR]要求。

3 路面设计指标受车辆轮载的影响

沥青路面在运行过程中因遭受自然环境和行车荷载的反复作用容易出现各种裂缝、坑槽及变形病害。采用BISAR 软件计算路表弯沉值、路表剪应力、基底拉应力等沥青路面结构轮载指标，结果见表1。

表1 沥青路面结构轮载指标结果

为得到各指标与荷载关系，分别进行了轮载与路表弯沉值、路标剪应力及基底拉应力关系的拟合，拟合公式如下，其中Q为车辆轮载（kN）。

该沥青路面路表弯沉值为27.45（0.01mm），半刚性基底拉应力最大值为0.275MPa，沥青面层剪应力最大值为0.54MPa。根据拟合公式，该路段各项指标达到设计要求时，路表设计弯沉、路表剪应力最大值及半刚性基底拉应力最大值所对应的车辆轮载应分别为29.77kN、35.24kN 及37.21kN，沥青路面允许行车轮载应选择其中较低值，并应将车辆超载率控制在17.12%以内。

4 结语

综上所述，路表弯沉值、剪应力及基底拉应力是半刚性基层沥青路面的基本设计指标，通过BISAR 软件的应用所得到的次干路路表弯沉、最大剪应力及基底最大拉应力值均符合该等级道路设计要求。当前半刚性基层沥青路面表面回弹弯沉值较小，在路面结构损坏后弯沉值也比设计弯沉值小，为此本文建议，应采用大交通量及重轴载半刚性基层沥青路面设计弯沉和疲劳寿命关系式的修正结果，或者直接取消半刚性基层沥青路面弯沉设计指标。