不同轴载对含应力吸收层沥青路面的影响分析

姜利　赵建峰

摘要：分析沥青混合料应力吸收层在含有裂缝的半刚性基层复合式路面中的受力状况，对于选择应力吸收层材料和设计道路结构具有指导意义。采用有限元分析方法，建立含应力吸收层沥青路面有限元模型，分析轴载和模量变化对应力吸收层结构的应力影响。结果表明：应力吸收层处于应力极为复杂的位置，尤其是处于裂缝处应力吸收层层底应力集中现象明显，随着应力吸收层模量在一定范围内的提高，能够缓解应力集中现象；随着轴载增大，应力吸收层层底应力明显增加，道路使用寿命降低。

关键词：应力吸收层；沥青路面；轴载；反射裂缝；应力集中

中图分类号：U 416.2；S 773.3文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0088-04

Analysis on the Effects of Different Axle Load on Asphalt

Pavement with Stress Absorbing Layer

Jiang Li，Zhao Jianfeng

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：The analysis on the stress situation of stress absorbing layer of asphalt mix in the semirigid composite pavement that contains cracks has important significance for the selection of stress absorbing layer materials and road structure design.In this paper，a finite element model was established based on the stress absorbing layer in asphalt pavement by finite element analysis method，and the influence of axle load and the modulus of stress absorbing layer on the loading stress of stress absorbing layer was analyzed.The results indicated that the stress absorbing layer was in the position where the stress was extremely complex.The stress concentration was especially obvious on the bottom of the absorbing layer at the cracks.With the increase of the modulus of stress absorbing layer within a certain range，the stress concentration can be relieved.With the increase of axle load，the stress on the bottom of stress absorbing layer increased significantly and the life of the road reduced.

Keywords： stress absorbing layer；asphalt pavement；axle load；reflective cracks；stress concentration

收稿日期：2014-06-10

基金项目：交通运输部科技项目（2009318000088）

第一作者简介：姜利，硕士，副教授。研究方向：道路工程。Email：jiangli_nefu@126.com

引文格式：姜利，赵建峰.不同轴载对含应力吸收层沥青路面的影响分析[J].森林工程，2015，31（1）：88-91.目前在我国已建成高等级公路中，90%以上沥青路面采用半刚性基层这种结构形式，半刚性基层有诸多优点，其承载能力和抗变形能力强、抗冻性良好以及成本低等优点；不过半刚性基层最大的缺点就是容易因为干缩或者温缩而产生裂缝，最后产生严重的路面破坏[1]。反射裂缝是目前沥青路面普遍存在的病害形式之一。反射裂缝的出现，不仅破坏了路面的整体性和连续型，影响路表的美观[2]；更为严重的是所产生的裂缝为路表水提供了下渗的通道，使路表水通过裂缝进入基层和路基，大大削弱了路基的强度和刚度，加速了沥青路面的破坏，严重影响了路面的使用性能[3-4]。

近年来，道路上不断出现许多重载和超载车辆，在行驶过程中，会加快道路破坏，严重影响道路的使用寿命[5]。在面层和开裂的半刚性基层之间设置应力吸收层是一种有效的防治反射裂缝的措施，应力吸收层不仅可以消除应力集中，减缓裂缝向沥青面层的扩展，还可以隔断路表水下渗的通道，防止其进入基层。应力吸收层处于沥青面层和半刚性基层之间，裂缝尖端应力情况复杂，受力状态对其不利[6-8]。因此，有必要对应力吸收层本身受力状态进行分析。本文采用有限元分析软件建立含应力吸收层沥青路面有限元模型，分析交通荷載变化对应力吸收层的应力和道路使用寿命的影响以及结构层内应力分布规律，为含应力吸收层的沥青路面结构组成提供参考。

1有限元计算模型和参数

1.1计算模型

视路面结构为弹性层状体系，沥青面层、应力吸收层、半刚性基层和地基均采用三维8节点线弹性等参元。对各结构层做如下假设：①各结构层为连续、均匀和各向同性的弹性体；②各层层间垂直和水平方向位移均连续；③结构物在受车轮荷载作用以前，视应力为0，不考虑路面结构的自重影响；④土基底面各向位移为0，土基侧面水平方向位移为0；⑤半刚性基层的裂缝是贯通裂缝，裂缝尖端已达到面层底部，裂缝宽度假设为0.5 cm，且裂缝处无传递荷载能力。

1.2计算参数

研究表明车轮荷载作用在裂缝一侧的偏荷载对沥青路面最为不利，因此，采用偏荷载荷位进行计算比较合理[9]。在常温下，应力吸收层混合料具有较低模量，从而抑制反射裂缝的扩展[10-11]。计算主要考虑不同荷载下应力吸收层内的应力变化，各结构层主要计算参数见表1。

第1期姜利等：不同轴载对含应力吸收层沥青路面的影响分析

森林工程第31卷

为了定量分析轴载对含应力吸收层沥青路面结构应力的影响，采用单轴轴载进行分析，以标准轴载100kN为最低值，按照40kN的增量进行递增，轴载最高值为220KN，由于轴载变化，接地面积也应随着改变，可根据比利时法的轴载与轮胎接地面积的经验公式进行计算[12]。

A=（0.008P+152）±70。（1）

式中：A为轮胎接地面积；P为每个轮胎的荷载；±70为保证率达到95%的离差范围。

接地面积和轮压均随轴载的增加而增加，圆心距31.95 cm不变，轴载与轮压、接地面积的关系见表2。

表2不同轴载与接地压强、接地面积和半径关系

Tab.2 Relationship between axle load and pressure，area，and radius

轴重/kN100140180220接地面积/cm2357432512592轮压/MPa0.7000.8100.8790.929半径/cm10.6511.7312.7713.732不同轴载下的应力分析

在轴载作用下，含应力吸收层沥青路面在半刚性基层裂缝处变形最大，裂缝对应处层底易产生应力集中，引发反射裂缝，因此，在进行应力计算时，主要考虑应力吸收层在裂缝处的最大主拉应力σ1和最大剪应力σmax。

2.1不同轴载下的最大主拉应力分析

当应力吸收层模量为400、600和800 MPa时，不同轴载下距路表不同深度的最大主拉应力计算结果见表3。

表3不同轴载下应力吸收层最大主拉应力

Tab.3 The maximum principal tensile stress of

stress absorbing layer under different axle load

深度

/m模量

/MPa不同轴载下最大主拉应力/MPa1001401802204000.1320.1530.1660.1750.1206000.1450.1680.1820.1928000.1530.2770.1920.2034000.1430.1650.1790.1890.1256000.1570.1820.1970.2088000.1660.1920.2080.2204000.1630.1890.2040.2160.1306000.1790.2070.2240.2378000.1900.2200.2380.2524000.1960.2270.2460.2600.1356000.2160.2490.2710.2868000.2290.2640.2870.3034000.2580.2980.3240.3420.1406000.2850.3300.3570.3788000.3020.3490.3790.4004000.4140.4790.5190.5490.1456000.4570.5280.5740.6068000.4860.5620.6100.645

由表3可知，在距路表深度0.120～0.125 m處，不同轴载下的最大主拉应力变化幅度较为缓慢，不同模量下的最大主拉应力为8.4%左右，随着深度的增加，最大主拉应力的增长速率加快，在距路表深度0.140 m至应力吸收层层底时，应力吸收层应力增长迅速，在不同模量、不同轴载作用下应力增幅达到60.46%～60.93%。从层底拉应力的跳跃性变化可以看出，在重载作用下，应力吸收层的材料抗拉伸变形和疲劳变形是考验其路用性能的重要指标，这要求对应力吸收层材料的抗拉伸性能和抗疲劳性能提出较高标准，从而抑制反射裂缝的形成。

2.2不同轴载下的最大剪应力分析

当应力吸收层模量为400、600和800 MPa时，不同轴载下的距路表不同深度的应力吸收层最大剪应力计算结果见表4。

表4不同轴载下应力吸收层最大剪应力

Tab.4 The maximum shear stress of stress

absorbing layer under different axle load

深度

/m模量

/MPa不同轴载下最大剪应力/MPa1001401802204000.2630.3040.3300.3490.1206000.2850.3290.3570.3788000.3010.3480.3770.3994000.2780.3210.3490.3690.1256000.2990.3450.3750.3968000.3140.3630.3940.4164000.2950.3410.3700.3910.1306000.3180.3680.3990.4228000.3390.3920.4250.4494000.3160.3650.3960.4190.1356000.3430.3960.4300.4558000.3710.4290.4650.4924000.3670.4240.4600.4870.1406000.4030.4660.5060.5348000.4360.5040.5470.5784000.5340.6170.6700.7080.1456000.5920.6840.7430.7858000.6320.7310.7930.838

由表4可以看出，随着轴载的增大，最大剪应力呈增大趋势。在应力吸收层上部，即距路表0.120～0.135 m段，最大剪应力在不同轴载作用下增幅缓慢，最大仅为9.44%；在0.135～0.140 m时，最大剪应力增加17.78%；在0.140～0.145 m时，最大剪应力增加了47.64%。由于最大剪应力在层底的大幅增加，会加剧材料的破坏和开裂，因此要求应力吸收层材料具有良好的抗剪切破坏能力。为了更好的反映应力吸收层模量对路面结构的影响，选取不同模量下沥青面层底部应力，结果如图1所示。

从图1中可以看出，随着应力吸收层模量的增加，在裂缝对应处应力吸收层内的应力有增大的趋势，当模量由200 MPa增至1 200 MPa时，应力吸收层层底应力分别增长了18.1%、10.8%、6.7%、4.2%和2.1%。从应力角度可知，随着模量的增加，应力吸收层层底应力呈增大趋势，这对应力吸收层自身材料受力产生不利影响，但是随着模量的增大，应力增幅减缓。随着应力吸收层模量的增大，沥青面层层底应力减小，但当模量增至800MPa时，面层层底应力逐渐呈现增大趋势。虽然当应力吸收层模量较低时，对其本身受力有利，但低模量一方面会增大路面变形，降低路面整体结构强度；另一方面模量低意味着沥青用量的增大，在施工时不利于碾压，增大施工难度。因此，建议应力吸收层材料模量应为600～800 MPa。

图1应力吸收层模量与层底应力的关系

Fig.1 Relationship between modulus of stress

absorbing layer and stress of the bottom

2.3不同轴载下应力吸收层层底应力分析

根据表3和表4可知，在裂缝对应处应力吸收层层底应力集中现象十分明显，在不同轴载作用下，层底荷载应力随着轴载的增加呈增长趋势，当轴载从标准轴载100kN增至重载220kN时，层底荷载应力增加了约32.6%，由此可以看出道路受重载、超载的影响十分明显，除选用具有优良弹性变形能力以及抗疲劳能力的混合料作为应力吸收层材料外，还应严格限制重载和超载现象的发生，从而防止道路过早产生破坏。

3不同轴载下道路使用寿命分析

针对高速公路重载和超载现象的发生，选取某公路进行轴载调查，结果如图2所示。

图2轴载分布图

Fig.2 Axle load distribution由图2可知，100kN以下轴数比重较小，这部分轴载对道路产生的破坏不明显，该公路轴载主要分布在120～160kN，达到总轴数的51.3%，引起路面破坏的主要轴载集中于此。另外，还有2.1%的轴载超过220kN，这类轴载的出现有可能对路面产生严重的破坏[13]。

根据规范[14]规定：

N=∑Ki=1C1C2ni（PiP）β。（2）

由公式（2）得，标准轴载当量轴次为22 506次/日。

该公路设计累计标准轴次为1.107×107次，设计年限15 a，年增长率为6.2%，车道系数为0.5，则根据累计标准轴次式得：

Ne=[（1+γ）t-1]×365γN1γ。（3）

若按設计累计标准轴次计算，则该公路到达该累计标准轴次的时间为2.53 a，这与设计年限相差很大，由此可见重载和超载对道路使用寿命的影响是十分巨大的。

3结论

（1）在含裂缝的半刚性基层上设置应力吸收层的沥青路面结构，可有效缓解应力集中，减缓面层产生破坏。应力吸收层所受应力状态复杂，在裂缝对应处应力吸收层层底应力集中现象明显，应力吸收层材料应选用具有良好弹性变形能力的混合料，并重点检验其抗剪性和抗拉性，从而有效抑制反射裂缝的形成。

（2）随着应力吸收层材料模量的提高，层底应力集中现象有所减缓，建议其模量选取在600～800 MPa。

（3）随着轴载的增大，层底应力增长显著。重载和超载现象的发生，会减短道路的使用寿命，应严格限制重载和超载现象的发生。

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[责任编辑：董希斌]