基层模量及层间接触对半刚性沥青路面影响分析

黄 玲

(闻垣高速公路建设管理处，山西运城 044000)

0 引言

随着我国经济的快速发展，交通量不断增加，对道路的性能要求也越来越高。由于半刚性基层具有材料易获得、强度高、造价低等优势，使得半刚性基层成为我国高等级公路路面主要结构组合。我国现行的沥青路面设计规范以层状弹性体系为基础，设计时假定道路各结构层之间的接触面完全连续［1］。然而完全按照沥青路面设计规范对路面材料进行设计，路面仍会出现诸如车辙、壅包等早期破坏形式［2］;工程实践证明，沥青面层与半刚性基层之间以及沥青混凝土层之间的层间界面粘结比较薄弱，处于完全滑动与完全连续的中间状态，层与层之间通过接触传递应力［3］。这样表明沥青路面的实际状况与设计理论指标之间存在着差异与不符，所以有必要对路面结构进行应力分析，使其结果对路面设计及施工过程中给予一定的参照依据。

本文采用壳牌公司开发的层状弹性体系分析软件BISAR3.0，分析了层间连续、基层模量对路表弯沉、路面应力影响，研究了在不同层间接触状态、不同模量情况下，双圆均布垂直荷载中荷载对称轴上A(面层顶部)、B(面层与基层交界处)两点路表弯沉、径向应力、竖向应力、切向应力的变化趋势，为半刚性基层路面设计提供可靠参考。

1 路面结构方案及计算结构的选取

1.1 路面结构方案

本文为计算简便把道路结构层划分为三层即面层、基层、土基。路面结构及参数见表1。

表1 路面结构及参数

1.2 计算说明

本次分析中，计算荷载采用标准双轮轴载100 kN，垂直荷载为 p=0.7 MPa，当量圆半径 δ=10.65 cm，两轮荷载中心间距 3δ。层间考虑完全光滑及完全连续两种极端情况。在计算中设定:r方向为车辆行驶方向，即路面纵向;z轴为路面深度方向。采用BISAR3.0软件进行计算，整个计算过程中，拉应力为正，压应力为负。具体情况见图1。

1.3 计算组合说明

计算情况分为8种组合如下:

1)层间连续土基模量120 MPa，基层模量800 MPa。

2)层间连续土基模量120 MPa，基层模量7 000 MPa。

3)层间连续土基模量500 MPa，基层模量800 MPa。

4)层间连续土基模量500 MPa，基层模量7 000 MPa。

5)层间光滑土基模量120 MPa，基层模量800 MPa。

6)层间光滑土基模量120 MPa，基层模量7 000 MPa。

7)层间光滑土基模量500 MPa，基层模量800 MPa。

8)层间光滑土基模量500 MPa，基层模量7 000 MPa。

2 层间连续状态对路表弯沉、路面应力的影响

2.1 层间连续对路表弯沉的影响

根据以上8种不同组合，通过BISAR3.0，计算层间连续状态对路表弯沉的影响，结果如图2所示。

图1 荷载、计算点示意图

图2 层间连续状况对路表弯沉的影响

从图2可以看出:不同模量组合，随着层间接触状态由完全连续向完全光滑变化，路表弯沉都会增大，但是增大幅度并不是很明显，最大的是41.9%(800/120组合状况)。

2.2 层间连续对沥青面底面径向应力、基层竖向应力的影响

通过选用不同层间接触状态，选取基层模量分别为800 MPa，7 000 MPa，土基模量分别为120 MPa，500 MPa的不同组合状况下研究沥青层底面径向应力、基层竖向应力的变化趋势，分别如图3，图4所示。

图3 层间连续状况对沥青层底径向应力的影响

图4 层间连续状况对基层竖向应力的影响

从图3可以看出，层间接触状态对沥青层底面的应力有较大影响。在完全连续的情况下，四种模量组合情况下，径向均为压应力;在完全光滑的情况下，对于基层模量为7 000 MPa的情况下，径向应力仍为压应力，但是对于基层模量较小800 MPa的情况下，径向应力为拉应力。可以发现，层间连续状况对于沥青层底部径向应力有很大的影响，最大影响幅度达到454%(800/120组合状况)。

从图4可以看出，在各种模量组合下，基层顶部竖向应力无论层间连续状况与否，均表现为压应力。当层间光滑时，压应力较层间连续时大。

3 基层模量对路面弯沉、应力的影响

3.1 基层模量对A，B点弯沉值的影响

基层模量分别取800 MPa，7 000 MPa，土基模量分别为120 MPa，500 MPa时，在两种不同层间状态下，A，B两点弯沉值变化趋势如图5所示。由图5可知随着基层模量的增加，A，B点的弯沉值都会减小。

图5 基层模量对A/B点弯沉值的影响

3.2 基层模量对A，B点竖向应力的影响

通过选取以上两种不同的基层模量、土基模量在两种不同层间状态下，对A，B两点进行竖向应力计算。可知不论A点模量如何变化，处于何种层间状态下A点的值都为零。B点的竖向应力值变化趋势由图6可知:基层模量增大则B点竖向应力增大，且由图可知基层始终受压。

图6 基层模量对B点竖向应力的影响

3.3 基层模量对A，B点径向应力的影响

通过选取以上两种不同的基层模量、土基模量在两种不同层间状态下，A，B两点径向应力变化趋势，计算结果见图7。

图7 基层模量对A/B点径向应力的影响

由图7a)可知:A点(面层顶部)的径向应力随着模量的增大会有所增加，光滑时变化幅度较大。A点处于受拉状态，说明此时并不是基层模量越大越好，越大反而使A点处于不利状态。

B点位于面层与基层交界处可得到两个不同的径向应力即面层底部径向应力、基层顶部径向应力。由图7b)可知:B点面层顶部径向拉应力随着基层模量的增加而降低且压应力随着基层模量的增加而增大。由图7c)可知:B点基层顶部径向应力随着基层模量的增加而增大。

3.4 基层模量对B点切向应力的影响

由于A点位于路表面，路表面不受水平力作用，故A点无切向应力。所以只需对B点进行切向应力计算，B点位于面层与基层交界处可得到两个不同的切向应力即面层底部切向应力、基层顶部切向应力。结果见图8。

图8 基层模量对B点切向应力的影响

由图8可知:基层模量对面层底部及基层顶部的切向应力的影响很小，当层间接触处于完全光滑时，基层顶底部的切向应力几乎接近于0。

4 结语

本文采用BISAR3.0软件对典型的半刚性基层路面结构计算，分析层间连续、基层模量对路表弯沉、路面应力影响，研究在不同层间接触状态、不同模量情况下，双圆均布垂直荷载中荷载对称轴上A(面层顶部)、B(面层与基层交界处)两点路表弯沉、径向应力、竖向应力、切向应力的变化趋势，得到以下主要结论:

1)不同模量组合，随着层间接触状态由完全连续向完全光滑变化，路表弯沉都会增大，但是增大幅度并不是很明显，最大的是41.9%(800/120 组合状况)。

2)层间接触状态对沥青层底面的应力有较大影响，在完全连续的情况下，径向均为压应力;在完全光滑的情况下，对于基层模量7 000 MPa的情况下，径向应力仍为压应力，但是对于基层模量较小800 MPa的情况下，径向应力为拉应力，使沥青层处于不利状态。

3)弯沉值随着基层模量的增大而减小，即弯沉值与基层模量取值成反比关系。4)双圆均布垂直荷载中荷载对称轴上A点(面层顶部)处于受拉状态，说明此时并不是基层模量越大越好，越大反而使A点处于不利状态。所以基层模量在选取时应选择一个适当值。

5)基层模量对面层底部及基层顶部的切向应力的影响很小。且当层间接触处于完全光滑时，基层顶底部的切向应力几乎接近于0。

［1］JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范［S］.

［2］张睿卓，凌天清，袁 明，等.半刚性基层模量对面结构受力的影响［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(4):755-758.

［3］刘红坡.层间接触对半刚性沥青路面力学响应的影响［D］.成都:西南交通大学，2006.