面层模量对重载交通沥青路面受力特性及使用寿命的影响分析

王晓华

（天津市市政工程设计研究院,天津市 300051）

0 前言

随着国民经济的快速发展，运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，且车辆超载现象十分普遍，超载已成为造成沥青路面破损的最重要原因之一。车辆的超载运输使得不少道路路面使用初期即发生严重破坏，其中车辙是沥青混凝土路面的主要损害现象之一。

沥青混合料自身的塑性变形是路面车辙产生的主要原因，提高沥青混合料模量，可以有效增强整个路面结构抵抗车辙变形和抗疲劳的能力，进而应对重载交通问题。为了明确面层模量对重载交通沥青路面受力特性与使用寿命的影响，本文应用SHELL设计方法的BISAR3程序，系统分析面层模量变化对重载交通沥青路面路表弯沉值、基层及底基层层底拉应力以及路面结构疲劳寿命的影响，对于合理选择沥青路面的面层模量，减少超载、重载对沥青路面造成的早期破坏具有一定价值。

1 计算参数与路面结构

我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)规定的荷载作用形式为单轴双轮、双圆荷载模式。标准轴载采用BZZ-100，轴重超限时考虑双圆中心距离3δ保持不变，接触压力和接触面积可变。通过调查得到轴载与轮胎接地面积关系如式（1）：

式（1）中：A——轮胎接地面积，cm2；

P——每一轮胎的荷载，N。

假定轮载P均匀分布在接触面的圆型面积上，当量圆半径和轮压的具体数值见表1。

表1 轴重与轮压、轮胎接地面积

本文计算采用的路面结构及计算参数如表2所示。

表2 采用的路面结构形式

2 面层模量对沥青路面受力特性的影响分析

2.1 面层模量对路表弯沉的影响

路表弯沉值是由路面各结构层各自变形的综合结果，反映了路基路面结构的整体强弱状况。计算出不同面层模量情况下，各轴载作用下沥青路面的路表弯沉值，如图1所示。

从图1中可以看出，面层模量对路表弯沉具有显著的影响，路表弯沉随面层模量的增大而减小，并且随着轴重的增加，面层模量对路表弯沉的影响更为明显。当面层模量从1 000 MPa增加到1 800 MPa，100 kN作用下弯沉值减小了 2.38（0.01 mm），而180 kN作用下弯沉减小了4.08（0.01 mm）。

图1 不同路面面层模量时的路标弯沉

2.2 面层模量对沥青面层受力影响

分别计算100～180 kN荷载作用下，面层模量改变对面层层底拉应力的影响结果如图2所示。图中拉应力值均为负值，表明在车辆荷载作用下，面层结构承受压应力，且随面层模量增加，面层受压作用减小。

图2 不同路面面层模量时的沥青面层层底拉应力

2.3 面层模量对基层层底拉应力影响

图3为不同轴重作用下土基模量与基层层底拉应力关系图。图中可以看出相同轴载作用下，基层层底拉应力大小随土基模量增加而减小，趋势接近线性,且随轴重增加。土基模量改变对基层层底拉应力影响相差不大：100 kN时，拉应力减少0.011 95 MPa，170 kN时，减少 0.020 2 MPa，仅增加0.008 25 MPa。整体上看，土基模量改变对基层层底拉应力影响并不大。

2.4 面层模量对底基层层底拉应力影响

不同轴重作用下，土基模量改变对底基层层底拉应力的影响如图4所示。可以看出，土基模量对底基层层底拉应力的影响趋势与基层基本相同，而土基模量改变对底基层层底拉应力的影响程度较基层更大。以170 kN为例，土基模量从40 MPa增加到70 MPa，基层层底拉应力减小了0.020 2 MPa，而底基层层底拉应力减少了0.022 51 MPa。

图3 不同路面面层模量时的基层层底拉应力

图4 不同路面面层模量时的底基层层底拉应力

3 结语

应用BISAR程序分析重载交通作用下，土基模量的改变对路面结构受力特性的影响，得出以下结论：

（1）从路表弯沉角度分析，路表弯沉随土基模量的增加而减小，并且模量越高，减小程度越少；随着轴重的增加，土基模量对路表弯沉的影响更为明显。

（2）从面层层底拉应力角度分析，车辆荷载作用下，面层结构承受的压应力随土基模量增加而减少;随轴重的增加，土基模量改变对面层受力的影响并不明显。

（3）相同轴载作用下，基层层底拉应力大小随土基模量增加而减小，趋势接近线性;随轴重增加，土基模量改变对基层层底拉应力影响相差不大。

（4）从底基层层底拉应力角度分析，土基模量对底基层层底拉应力的影响趋势与基层基本相同，而且土基模量改变对底基层层底拉应力的影响程度较基层更大。

[1]JTG D50—2006,公路沥青路面设计规范[S].

[2]天津市市政公路管理局.天津市干线公路轴载调查报告[R].天津：天津市市政公路管理局，2010.