基于抗裂的沥青路面合理结构研究

柴彩萍

(陕西交通职业技术学院,陕西西安 710018)

基于抗裂的沥青路面合理结构研究

柴彩萍

(陕西交通职业技术学院,陕西西安 710018)

利用专门的道路设计程序,对半刚性基层沥青路面进行结构力学计算。通过沥青路面内的应力大小和分布分析,得到层底拉应力随结构力学参数(各材料层厚度、模量及结构形式)变化规律,据此提出避免沥青面层疲劳开裂和半刚性基层反射裂缝的沥青路面合理结构,并指出基于抗裂的沥青路面材料组合设计方向。研究结果对半刚性基层沥青路面结构组合设计具有理论参考价值。

沥青路面开裂;结构力学分析;结构组合;材料组成设计

疲劳开裂作为沥青路面一种主要破坏形式,不仅会影响路面整体性和行车舒适性,还会因水分侵入导致整个路面结构过早破坏,降低路面服务质量,缩短其使用寿命。半刚性基层沥青路面的疲劳开裂:一方面是由沥青材料层内的拉应力或拉应变的重复作用所致;另一方面是由半刚性基层疲劳裂缝反射到沥青面层所致。路面结构内的应力是由行车荷载和自然因素共同作用下产生的,在一定的环境和交通条件下,路面内应力应变状态是相对的,大小取决于:①材料力学性质(回弹模量、泊松比);②各层结构厚度;③结构形式(材料层次相对位置、各层刚度的相对性等)[1]。所以借助专用程序计算路面结构内应力应变状态,进行路面结构组合设计,合理选择和安排沥青路面结构层次,使整个路面结构在设计使用年限里既能承受行车荷载和自然因素的共同作用,又能发挥各结构层的最大效能,并进一步指导路面结构各层材料设计,对实现既经济又实用路面结构具有重大意义。

1 路面结构内应力应变分析

1.1 计算理论和结构参数的选取

沥青路面的力学计算理论和相应的计算机程序的发展为分析路面应力应变状态提供了手段。进行应力应变分析时,把路面结构层简化为四层体系[2],主要考虑主承力结构层:沥青材料层、基层、底基层和路基,用基于多层弹性层状体系理论专为道路设计而编制的Bisar程序计算分析标准荷载作用下路面结构内的应力应变大小,分布规律及影响因素。标准荷载为双圆均布荷载,荷载圆半径 δ=10.65 cm,双圆中心距d=3 δ,垂直荷载p=0.7MPa,水平荷载亦认为在双圆内均布作用,其方向平行于车轮行驶方向。结构计算如图1所示。

图1 结构力学计算图式

本文所依托的是国道310线(郑州～上街)二级公路改建工程,结合当地气候、实际经济情况、材料来源和使用情况,并参照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)规定,对于二级公路:面层厚度建议值7 cm～12 cm;高速、一二级公路土基模量不小于30 MPa;基层、底基层一次摊铺碾压厚度18 cm～20 cm。常温条件下路面各结构层参数选取如表1所示[3]。另外,在具体进行路面结构力学计算时,为了说明问题的需要将适当调整面层和基层的模量值和厚度。

表1 路面结构参数

1.2 拉应力计算和结果分析

在考虑水平荷载(f=0.2)和垂直荷载共同作用下,轮隙中心处应力沿深度分布曲线,如图2所示。拉应力随着深度的增加先增大后减小,峰值出现在路表下35 cm处。

图2 拉应力沿深度分布

1.2.1 面层底拉应力分析

当路基模量大于30 MPa且基层厚度大于200 mm时,影响沥青材料层内应力应变状态的因素主要是沥青材料层的厚度和沥青面层与半刚性基层的模量比。

(1)基、面层模量比对面层底拉应力的影响

保持各结构层厚度及土基模量不变,计算不同基、面层模量比E2/E1时车辆荷载在面层底产生的拉应力值 σ1,并绘制E2/E1～σ1曲线如图3所示。

图3 沥青面层底拉应力随基、面层模量比的变化曲线

从图3可以看出,随着基、面层模量比的增大,面层底拉应力逐渐减小,尤其是在E2/E1较小时减小的趋势更为明显,故当基层模量较小时,稍微增大基层模量就可显著降低面层底拉应力;且当E2/E1≥0.45时,沥青材料层就完全处于受压状态。

(2)面层厚度对面层底拉应力的影响

保持各结构层其它参数不变,计算沥青面层厚h1取不同值时车辆荷载作用下面层底拉应力 σ1值,并绘制h1～σ1曲线如图4所示。

图4 沥青面层底拉应力随面层厚度的变化曲线

在图4所示面层厚度范围内,面层底始终处于受压状态,且随着面层厚度的增大,面层底拉应力先减小后增大,最小值出现在9 cm前后,说明面层厚度为9 cm左右时,面层底拉应力最小,减小或增大面层厚度都会增大面层底开裂的可能性。

总之,通常情况下,半刚性基层沥青路面,基、面层模量比E2/E1≥0.45的条件很容易实现,在规范规定的二级路沥青面层7 cm～12 cm厚度范围内,沥青材料层完全处于三向受压缩状态,可以避免荷载疲劳裂缝的发生。

1.2.2 基层底拉应力分析

(1)基层底拉应力影响因素研究

计算不同结构层厚度及不同结构层模量时基层底的拉应力值,并绘制基层底拉应力 σ2随面层模量E1、基层和面层模量比、底基层和基层的模量比E3/E2及面层厚度h1变化曲线如图5～图8所示。

图5 基层底拉应力随底基层、基层模量比变化曲线

图6 基层底拉应力随面层厚度变化曲线

图7 基层底拉应力随面层模量变化曲线

图8 基层底拉应力随基、面层模量比变化曲线

从图5～图8可以看到:①基层底的拉应力 σ2随着面层模量E1减小略有增加;②基层底的拉应力σ2随着基层和面层的模量比E2/E1增加稍有增加;③基层底的拉应力 σ2随着底基层和基层的模量比E3/E2增加显著减小;④随着面层厚度h1增加,基层底的拉应力σ2有所减小;⑤从拉应力沿深度分布图2可以看出,在路表下约30 cm深度处,应力曲线变得比较平缓,所以,当基层厚度大于20 cm后,增加其厚度对基层底拉应力并不会产生太大影响。总之,标准荷载作用下,影响基层底拉应力大小的主要是底基层和基层的模量比,其次是面层的厚度。

2 避免反射疲劳裂缝的沥青面层厚度研究

适当厚度的沥青面层对半刚性基层可以起到保温、防止水分过快散失的作用,大大降低基层温、干缩率,同时减小车辆荷载下的拉应力,有利于减小半刚性基层的开裂,延迟、减轻甚至避免反射裂缝的产生[4]。

2.1 基层底拉应力计算

2.1.1 基层底荷载应力计算

为安全起见,并考虑到温度的影响,选取可能出现的最不利情况来进行基层底拉应力分析。结构参数选取如下:E1=1 000MPa;E2=1 600MPa、h2=20 cm;E3=400 MPa、h3=30 cm;E4=45 MPa。分别计算不同面层厚度h1=7 cm、9 cm、12 cm时基层底的拉应力,计算结果表明,在规范规定的面层厚度范围内,最不利季节时 σp的值域为0.175 MPa～0.205 MPa。

2.1.2 基层温度应力估算

路面结构内的温度应力与结构层力学参数、路面材料的热力学性能以及结构层内降温幅度密切相关[5]。温度应力按下式计算:

式中:E为材料层的回弹模量(MPa);α为温度收缩系数;ΔT为降温幅度(℃)。

郑州位于河南省的中东部,属豫东地区,夏炎热冬冷湿润,其气候属暖温带—亚热带、湿润—半湿润的大陆性季风气候,低温季节气温日波动量一般不超过15℃,经沥青面层对温度的衰减作用,基层顶面的温度日波动量约为8℃左右[6]。

考虑郑州当地的材料来源、施工水平和参考规范建议值并进行不利季节适当折减来选择半刚性基层材料参数:抗压模量取与基层底荷载应力计算时相同的值即E2=1 600 MPa;劈裂强度取为σsp=0.6 MPa(规范0.4 MPa～0.8 MPa)。随着温度的变化,基层材料温缩系数 α在 6.0×10-6/℃～12.0×10-6/℃之间变化。

选取相应参数代入温度应力公式,计算得基层温度附加应力 σT在0.077 MPa～0.154 MPa之间。则在车辆荷载和温度变化共同作用下基层底产生的总应力大小为0.25 MPa～0.35 MPa。

2.1.3 基层容许拉应力计算

容许拉应力按下式计算:

式中:σsp为半刚性材料层的劈裂强度(MPa);Ks为抗拉强度结构系数。

对于无机结合料稳定集料类,Ks按下式计算:

式中:Ne为设计年限内一个车道累计当量轴次,对于中等交通Ne=400～900万次/车道;Ac为按公路等级确定的保证率系数,二级公路取1.1。

计算得Ks值在0.62～0.67之间。

结合郑州地区交通和材料实际应用情况,选取适当参数值并将其代入容许拉应力σr计算公式,得基层底容许拉应力 σr值在0.25 MPa～0.54 MPa之间。

2.2 防止基层疲劳开裂的沥青面层厚度分析

为保证基层底不发生疲劳开裂,必须使得基层总拉应力σ总和基层底容许拉应力σr之间满足关系式:σ总≤σr。基层底总拉应力 σ总等于基层底荷载应力σp和温度应力σT之和,根据前面计算结果,在最不利季节其值域范围为0.25 MPa～0.35 MPa;基层容许拉应力 σr,对于二级路,其值在 0.25 MPa～0.54 MPa之间变化,对比得出基本上可以满足 σ总≤σr条件。也就是说,规范规定的二级公路沥青面层7 cm～12 cm厚度范围基本上可以起到消荷、隔温作用,避免不利季节半刚性基层疲劳开裂,防止沥青面层反射裂缝的发生[7]。但安全起见,建议路面设计时以合理的路面材料组成作保证,如选择收缩系数较小的半刚性基层材料和隔温性能较好的面层材料,如用其它无机结合料稳定类材料代替水泥稳定类材料,或采用较小水泥剂量;适当增加底基层、基层的模量比以降低基层底的弯拉应力等,从而避免因半刚性基层开裂而反射到沥青面层现象发生,防止其过早开裂,延长路面使用寿命。

3 结 语

本文通过专用程序,分析了行车荷载和自然因素共同作用下半刚性基层沥青路面结构内应力状况和影响因素,提出了避免开裂的沥青路面合理结构,并指出各结构层材料组合设计的方向。

本文的研究,对半刚性基层沥青路面结构组合设计具有理论参考价值,对沥青路面材料抗裂组合设计具有理论指导作用,在分析解决半刚性基层沥青路面疲劳开裂问题方面具有重要的现实意义。

[1]陈立军,等著.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]郑健龙,周志刚,张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法[M].北京:人民交通出版社,2002:41-45.

[3]柳志军.河南省路基路面设计参数研究[D].西安:长安大学,2003.

[4]梁子伟.高速公路沥青路面疲劳开裂的预测方法及影响因素分析[J].交通标准化,2011,3(4):144-146.

[5]吴赣昌.层状路面结构温度应力分析[J].中国公路学报,1993,4(4):1-8.

[6]范植昱,徐柏才.降温过程对沥青路面Top-Down开裂的影响[J].中外公路,2011,31(4):40-43.

[7]邓洪亮,廖 丹,王正念.半刚性基层沥青路面温度型反射裂缝的扩展机理分析[J].水利与建筑工程学报,2009,7(4):4-6.

Study on Structural Design of Anti-cracking Asphalt Pavement

CHAI Cai-ping
(Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

In this paper,a special road design program is used to analyze the stress value and distribution of the semirigid asphalt pavement under normal tire pressure.Based on calculating analysis,some conclusions are obtained,such as the change law of the stress in layer bottom caused by the altering of construction mechanics parameters,the rational asphalt pavement construction based on the change law which could avoid the fatigue cracking and reflection cracking and the design direction of anti-cracking asphalt pavement's material composition.The research resultswould have theoretical reference value for the structural design of semi-rigid asphalt pavement.

asphalt pavement cracking;structural mechanics analysis;structure combination;material composition design

U416.217

A

1672—1144(2012)05—0151—04

2012-03-26

2012-04-28

柴彩萍(1977—),女(汉族),山西永济人,硕士研究生,讲师,主要从事公路材料与结构检测的教学与科研工作。