贫混凝土基层沥青路面结构力学分析

乔琳 曹花丽 江磊

(烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005)

目前对贫混凝土基层沥青路面的研究主要是针对于高速公路等高等级路面，而对普通路面的研究较少。本文主要研究针对于二级公路的贫混凝土基层沥青路面。

沥青路面力学性质属于非线性的粘—弹—塑性体。为了简化计算，本文将其视作线弹性层状体系，并采用BISAR3.0(Bitumen Stress Analysis in Road)程序对路面结构应力进行分析[1]。

1 模型的建立与基本假定

采用双圆均布荷载，其中x向为道路行车方向，y向为道路横断面方向，z向为道路深度方向。模型建立如图1所示。

图1 路面结构模型

并作出如下假定[2]:

1)各层都是由均质、各向同性的线弹性材料组成，采用弹性模量E和泊松比μ表征;

2)土基在水平方向和向下的深度方向均为无限，其上的各层厚度均为有限，但水平方向仍为无限;

3)路表作用垂直荷载，荷载与路表面的接触形状呈圆形，接触面上的压力均匀分布，同时在下层无限深度处及水平无限远处应力和应变都是零;

4)层间接触面假定为完全连续。

2 路面结构选取

选用沥青面层为3 cm的上面层+4 cm的下面层，贫混凝土基层为20 cm，底基层为水泥稳定碎石20 cm，具体结构及参数见表1。

表1 路面结构及参数表

3 荷载及计算点位的选取

JTG D50.2006公路沥青路面设计规范规定:路面结构设计采用双圆均布竖向荷载作为作用荷载进行计算，轮胎压力为0.7 MPa，荷载圆半径为10.65 cm。

应力计算点位的分布如图2所示。在XOY水平面内，O1点坐标为(0，－159.75)，O 点坐标为(0，0)，A 点坐标为(0，53.25)，B 点坐标为(0，106.5)，O2点坐标为(0，159.75)，C 点坐标为(0，213)，D点坐标为(0，266.25)。本文主要对 O 点，A点，B点，O2点，C点和D点位置处的应力进行分析。

图2 计算点位分布

4 路面结构力学分析

4.1 力学指标选取

一般路面设计时，我们主要关注疲劳和车辙两种损坏[3]。其中车辙形成的主要原因是路面结构的剪应力过大，材料内发生剪切滑移，导致路面极易产生失稳性车辙，所以选取剪应力作为表征车辙的主要力学指标。而疲劳开裂是由结构层内的拉应力的重复作用所致，所以选取拉应力作为表征疲劳开裂的主要力学指标[1]。

4.2 剪应力分布规律分析

选取如表1所示的路面结构及参数，对双圆均布竖向荷载不同作用点位即O点，A点，B点，O2点，C点和D点(如图2所示)的应力进行计算。分别计算剪应力在不同点位沿路面深度方向(面层和基层)的分布规律[4]。

由图3可知，沥青面层内最大剪应力出现在O2点处，即轮载中心点处。面层内剪应力基本呈现先增大而后减小的规律，最大剪应力出现在C点处深度3 cm～5 cm范围内，显然当出现失稳性车辙病害时，在面层受剪力最大部分3 cm～5 cm的区域内，首先发生剪切破坏。

图3 剪应力沿路面深度分布规律

由图3又可知基层内最大剪应力出现在O点处，即轮隙中心点处。各作用点位在基层内沿路面深度的分布基本上呈现先减小后增大的规律，基层顶部与底部受到的剪应力都比较大。而最大剪应力出现在基层分别与面层和底基层的接触部位。

4.3 拉应力分布规律分析

对双圆均布竖向荷载不同作用点位即O点，A点，B点，O2点，C点和D点(如图2所示)的应力进行计算。分别计算正应力沿路面深度(面层和基层)的分布规律。

由图4可知，面层内部对应各点沿路面深度方向各计算点受正应力均为压应力，而不出现拉应力，即表示面层结构内不会因弯拉应力而出现开裂破坏。压应力的变化趋势是逐渐减小，最大值出现在B点位置的面层表面。

图4 正应力在不同接触状态下沿路面深度分布规律

由图4又可知，各作用点位在基层内沿路面深度正应力的分布都是数值不断增大，即由压应力逐渐向拉应力变化，压应力逐渐减小，拉应力逐渐增大，而压应力与拉应力的交替部位都是在深度20 cm左右。在基层顶面压应力最大，而基层底部拉应力值达到最大，显然基层底部最容易出现开裂破坏。

5 结语

通过计算分析得出如下结论:

1)沥青路面设计时主要考虑车辙和疲劳，分别用剪应力和拉应力力学指标来表示。

2)沥青面层内剪应力最大值出现在3 cm～5 cm范围内，这一部分容易首先发生破坏，施工时应加强注意。

3)面层与基层两者接触部位的剪应力都比较大，因此对于整个路面结构来说，面层与基层的接触区域剪应力比较大，会对路面的高温稳定性与耐久性产生不利影响，较易产生剪切破坏，易使路面产生车辙、推挤等病害。

4)面层与基层的正应力数值都是逐渐增大的，其中面层内拉应力最大值在面层底部;基层内拉压应力的交替值在深度20 cm左右，最大拉应力出现在基层底部。

[1] 马庆伟.基于层位功能考虑的耐久型沥青路面结构研究[D].西安:长安大学硕士学位论文，2010.

[2] 于 玲，钟右鹏，包龙生，等.交叉路口沥青路面变形病害机理分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2010，26(4):709-715.

[3] 陈东鹏，童申家.倒装结构沥青路面面层层底拉应变分析[J].公路工程，2010，35(1):79-81.

[4] 柳 浩，谭忆秋，宋宪辉，等.沥青路面基—面层间结合状态对路面应力响应的影响分析[J].公路交通科技，2009，26(3):1-6.