土基模量对沥青混凝土路面的力学响应的影响

岳光华，王 飞，靳延庆

(长安大学公路学院)

0 引言

目前我国高等级路面绝大部分为半刚性基层沥青路面，近年来随着车辆轴载的增大以及交通量的增加，路面的早期破坏现象也日益严重。造成路面早期破坏的原因有很多，其中与路基承载力不足有很大的关系。路基不仅承受自身和路面层的重量，而且承受路面传递下来的行车荷载，坚固的路基保证了路面的强度和稳定性。《公路沥青路面规范》(JTG D50-2006)的沥青路面设计方法，路面结构设计中路基力学性能参数推荐采用土基回弹模量，它的确定直接影响到其他参数的选择与结构设计的结果。因此研究土基回弹模量对沥青混凝土路面力学响应影响规律，对我国路面设计方法考虑土基模量的变化提供一些参考，从而确保路面设计达到预期的使用。应用弹性层状体系理论针对不同的土基模量情况下路面面层和基层结构内部的应力应变状态进行分析研究。

1 计算说明

1.1 基本结构和计算参数

《公路沥青路面规范》(JTG D50-2006)规定设计宜使路基处于干燥或中湿状态，土基回弹模量应＞30MPa，重交通、特重交通公路土基回弹模量应＞40MPa。为了更好的分析土基回弹模量对沥青路面结构力学影响，分别选取土基模量为20MPa，40MPa，60MPa，80MPa，100MPa和120MPa来模拟不同土基承载力的情况，并选取我国高速公路典型的半刚性基层沥青路面结构，参数取值见表1。

表1 路面结构模型及参数取值

1.2 计算软件

(1)体系是由作用在半无限基础或者半空间上均匀厚度水平层组成;

(2)在水平方向上各层可以无限延伸;

(3)各层均为均质材料和同方向性;

(4)材料都是弹性，其应力应变关系是线性的。

本次计算采用BISAR3.0程序进行力学分析，层间假定完全连续。计算荷载采用标准双轮轴载BZZ-100kN，胎压0.7MPa，轮压半径R为10.65cm，双圆中心距为15.975cm，在计算中假定，X向为道路行车方向，Y向为道路横断面方向，Z向为深度方向。

2 计算分析

2.1 土基模量对路表和路基顶面弯沉影响

利用BISAR计程序进行计算，不同的土基回弹模量对路表路基顶面的弯沉影响如图2和图3所示。由图2和图3可以看出，(1)路表和路基顶面随着土基模量的增加，弯沉都会不断的减小。当土基模量从20MPa增大到120MPa时，路表弯沉随着土基模量每增加20MPa分别减小了201，83.4，46.9，30.6，21.8，说明当路基模量较小时，路表和路基顶面的弯沉降低的速率较快，并随着土基模量的增加速率逐渐降低。(2)路表弯沉和路基顶面弯沉随着土基模量的增加而减小的差值基本不变，即减去土基顶面部分产生的弯沉值以后，路面结构本身所产生的弯沉基本上保持不变，说明土基模量的变化对土基顶面弯沉的影响要大于路表弯沉。(3)路表弯沉在轮隙中心两侧先增加再减小，在单圆荷载中心处达到最大值;而路基顶面弯沉在轮隙中心处达到最大值，在轮隙中心两侧弯沉值基本相同。

图1 路表竖向位移计算曲线

图2 路基顶面竖向位移计算曲线

由以上分析可知保证土基的强度和稳定性，适当提高土基的回弹模量对减少路面的整体弯沉有很大的工程指导意义。

2.2 土基模量对面层和基层层底最大拉应力的影响

利用BISAR计程序进行计算，不同的土基回弹模量对面层和基层层底最大拉应力的影响如图4和图5所示。

图3 面层层底最大拉应力计算曲线

图4 基层层底最大拉应力计算曲线

由图4可以看出，从轮隙中心到两侧距轮隙0.3m范围内面层层底最大拉应力为负值，即表现为压应力，在土基模量增加的时候，压应力逐步减小;在两侧距轮隙距离大于0.3m时，面层层底拉应力为正值，但拉应力对土基模量的变化不敏感，大小基本不变。

由图5可以看出，层底最大拉应力出现在轮隙中心，并在远离轮隙中心时不断减小。基层层底拉应力随土基模量的增大而减小，模量从20MPa增加到120MPa时最大拉应力减少了41.2％，土基模量越大，减小的幅度降低。说明合理的选择土基模量对减少基层层底的最大拉应力效果明显。

由以上分析可知，土基模量对底基层的层底最大拉应力的影响程度较面层的层底最大拉应力大，所以对于半刚性基层沥青路面结构，半刚性基层的层底拉应力起主要控制作用，沥青面层的层底拉应力基本不起控制作用。

2.3 土基模量对路基顶面压应变的影响

虽然路面车辙和其他早期病害主要是由面层产生的，但是路基也是路面强度和结构稳定性的保证，因此路基顶应变是国外较常用的一项指标。利用BISAR对不同的土基模量下对路基顶应变的影响进行分析。如图5所示。

由图5可以看出，土基顶面压应变在轮隙中心出现最大值，并随着远离轮隙中心，应变值不断减小;当土基模量从20MPa每增加20MPa时，土基顶面最大压应变值分别减少19.0％，12.6％，9.75％，8.1％和6.97％，所以当压应变的值随着土基模量的增加而减小，并且当土基模量比较小时，这种变化特别明显。随着路基顶应变的减小，路基在使用过程中表现出良好的工作状态，就能够使整个沥青混凝土路面避免早期破坏并提供较好的服务状态。

3 结论

(1)土基模量对路表和路基弯沉，基层层底拉应力以及路基顶压应变影响较大，并且随着土基模量的不断增加，各项指标都在减小，这种影响在土基模量较小时更为显著，因此在工程实践中应注重软弱路基的处理，在施工条件允许下，尽可能的提高路基的强度和刚度。

(2)路表和基层顶面在车辆荷载作用下出现最大竖向位移的位置不同，路表在单圆荷载中心出现最大竖向位移，而路基顶面出现的位置在双轮轮隙中心。

(3)对于半刚性基层沥青路面结构，土基模量对底基层的层底最大拉应力的影响程度较面层的层底最大拉应力大，所以在设计时半刚性基层的层底拉应力起主要控制作用。

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及防治[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)[S].