基层与土基结构参数对沥青路面力学响应的正交分析

马煜缨

(陕西省交通规划设计研究院)

0 引 言

基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并将力扩散到下面的垫层和土基上去，路基作为路面结构的支承体，车辆荷载通过路面结构传至路基，所以路基路面结构的整体强度和刚度与路基土的应力应变特性有很大的关系。路面结构的早期破坏，除了它自身的原因外，与基层的开裂和路基的变形过大有很大的关系。目前，一些学者采用单因素分析法，从路面层状体系受力的角度，分析了基层和土基的结构参数对于设计指标的影响，但这种方法一般仅分析单一参数变化的力学响应，难免存在一定的片面性，采用正交法，综合分析基层和土基各因素的改变对于沥青路面结构的力学响应，从而为基层和土基的设计提供一定的指导作用。

1 结构参数的正交分析设计

1.1 影响因素和水平的选择

基层与土基的材料性能以及层间的接触条件对路面的性能有决定性的作用，另外基层的厚度对路面的性能也有很大的影响，因此分析以基层的厚度，基层的模量，底基层厚度，底基层模量，土基模量，基层与底基层接触条件，基层与土基的接触条件为因素。参考我国沥青路面设计规范，并结合国内外的一些研究，因素水平表如表1。

表1 因素水平表

1.2 正交方案的确定

根据选定的因素和水平，假设选取的各因素之间无交互作用，选用L9(37)正交表，将选定的因素和水平列入正交表中，即构成正交分析方案如表2。

1.3 考核指标的选择

我国公路沥青路面设计规范规定，高速公路、一级公路、二级公路的路面结构，以路表面弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标，另外路基顶压应变作为目前国际上较为常用的一种指标，因此本次分析选取路表面弯沉值，沥青混凝土层的层底拉应力和路基顶压应变作为考核指标。

表2 正交分析方案

2 计算方法及计算位置

2.1 计算方法

计算采用基于多层弹性层状体系理论并专为道路设计编制的BISAR3.0 程序，应用该程序，弹性层状体系中的应力、应变和位移都能够计算，是国际上公认的比较完善的路面设计软件。本次计算荷载采用标准双轮轴载BZZ－100 kN，胎压0.7 MPa，轮压半径R =10.65 cm，双圆中心距为15.975 cm，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。

2.2 计算结构模型和计算位置

为了更好地分析基层与土基结构参数对沥青路面的力学响应，选取我国高速公路典型的沥青路面结构，结构和参数如图1。

计算位置选择双轮荷载圆中心处的沥青路表面和路基表面位置。

图1 沥青路面结构及参数

3 计算结果分析

3.1 路表弯沉值指标分析

表3 各因素对路表弯沉值的直观分析表

由表3 可见，路表弯沉值(10－4m)都随着路面各结构层厚度和模量的增加而有所降低，良好的层间结合状态也能够很好的改善路表弯沉;另外，从表中的极差结果可以看出，土基模量是影响路表弯沉值的最主要因素，相反，底基层与土基的层间结合状态极差最小，因此按极差原理可知其对路表弯沉值影响最小，而基层与底基层的层间结合状态极差却为0.958，可知相对底基层与土基的层间粘结，改善基层与底基层的层间结合状态更有利于改善路表弯沉。根据极差值的大小排序，因素的主次顺序为土基模量E ＞基层厚度A ＞层间结合状态F ＞底基层厚度C ＞底基层模量D ＞基层模量B ＞层间结合状态G。

3.2 路基顶压应变指标分析

表4 各因素对路基顶压应变的直观分析表

由表4 可见，根据极差的大小，因素的主次顺序为基层厚度A ＞层间结合状态F ＞土基模量E ＞底基层模量D ＞底基层厚度C ＞层间结合状态G ＞基层模量B。路基顶压应变随着基层、底基层以及土基的厚度和模量值的增加而减小，但从极差的大小来分析，除了基层厚度的最大极差为1.091之外，其他各因素的极差都较小，可知基层厚度是影响路基顶压应变的最显著的因素。对于层间结合状态，基层和底基层的层间结合状态从完全光滑到完全连续，路基顶压应变逐渐变小，极差为0.663，可见良好的基层和底基层的层间结合状态对路面性能的良好及路基状态的良好至关重要;但当底基层与土基的层间结合状态完全连续时，较完全光滑是却有所增加，这可能是因为车辆荷载引起的竖向应力应变传递到路基顶部，层间在完全光滑时使应力的传递变得复杂，使层间产生滑移分担了一部分应变，由此路基顶应变表现为在完全连续时较完全光滑时有所增加。

4 结 论

以我国典型的路面结构为研究对象，考虑基层和土基的不同模量和厚度，以及不同的层间结合状态，通过正交分析理论研究其对沥青路面结构力学性能指标的影响，由计算结果得出如下结论。

(1)土基模量是路表弯沉的最显著影响因素，增加土基模量可以降低路表弯沉，并能有效的改善沥青路面的使用性能。

(2)对路基顶压应变影响最大的是基层厚度，而其他各因素对其影响较不显著，增加基层厚度是降低路基顶压应变的首要选择。

(3)相对于底基层与土基的层间结合状态，在基层与底基层层间设置粘结层更能够改善沥青路面的使用性能。

［1］邓学均.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］杨群，黄晓明.基层模量对路面性能的影响分析［J］.东南大学学报(自然科学版)，2001，36(4):81－83.

［3］凌建明，邬洪波，徐飞龙.二灰碎石分层特性对沥青路面结构性能的影响［J］.同济大学学报(自然科学版)，2002，30(3):292－295.

［4］武红娟，土基回弹模量变化对路面设计的影响分析［D］.西安:长安大学，2005.