基于层间不同接触条件的高模量沥青路面力学分析

邓陈记， 王金兵， 王 博， 于恒峰

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

我国沥青路面设计规范采用弹性层状理论，计算时假定路面结构面层之间、面层与基层之间等均是完全连续的，这与路面的实际情况并不相符。沥青路面采用多层层状结构，各结构层材料均不相同，各材料层之间由于其性能、工艺、要求均不相同，实际很难达到完全连续的理想状态。现有的研究成果表明，路面各结构层之间层间接触条件恶化，使得其受力状态在整个路面结构中处于最不利状态，因此，层间接触不良是引起半刚性基层沥青路面早期损坏的主要原因之一[1]。本文采用Bisar 3.0计算软件，分析了传统的半刚性基层路面和倒装结构路面在层间条件变化时的力学指标变化规律，以便更好地了解高模量路面结构在不同层间接触状态下的力学性能变化规律。

1 高模量典型路面结构及计算参数

1.1 加载形式

跨面加载形式如图1所示。

图1 路面荷载及计算点示意图

依据我国现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)，在进行沥青路面结构计算和分析时，采用双圆垂直均布荷载作用下的多层连续弹性层状体系。计算时设横断面方向为y方向，行车方向为x方向，竖直向下为z方向[1]。标准轴载参数见表1。

表1 标准轴载计算参数

1.2 路面结构

高速公路加宽主要采用设置AM-25(再生)层的路面结构，部分采用级配碎石基层沥青路面，路面结构详见表2。

表2 路面结构形式一览表

为了研究高模量沥青混凝土路面结构受力特点，采用Shell方法中Bisar3.0软件对高模量沥青路面结构层进行仿真模拟，计算不同路面结构组合下各结构层的应力和应变变化情况，以便为确定直投式高模量沥青混合料试验段路面结构提供理论依据。

(3)计算参数。针对沥青面层计算路表弯沉值时，沥青层模量取20 ℃时的抗压回弹模量；计算基底拉应力时，沥青层模量取15 ℃时的抗压回弹模量；计算沥青层剪应力时，沥青层上面层取50 ℃时的抗压回弹模量，中下面层取20 ℃时的抗压回弹模量。

表3 路面结构参数一览表

2 不同层间接触状态下的剪切弹性柔量分析

为了计算不同层间接触状态下高模量路面结构的应力、应变变化规律，本文采用Bisar 3.0软件中的简化弹性柔量ALK[2]进行分析，其公示定义如下：

式中：a为荷载半径，半径标准值0.106 5 m；∂为滑动系数。

其中，层间完全黏结时∂=0，层间完全滑动时∂=1。同时，为分析不同层间滑动程度下高模量路面结构的应力、应变变化规律，计算了不同层间滑动状态下的简化剪切弹性柔量，计算结果见表4。

表4 不同层间接触状态下简化弹性柔量数值

目前，对层间接触状态对高模量路面结构力学指标的影响已经有了一些研究成果，但由于现有研究成果主要围绕基层和面层的接触状态对路面结构的影响展开，但对高模量路面结构在不同接触状态下的力学指标变化研究很少。本文选择典型的高速公路改扩建路面结构，应用Bisar 3.0软件系统地分析不同典型高模量路面结构层间的接触位置对沥青路面力学指标的影响，以便能清楚地认识不同层间接触条件对沥青路面的影响[4]。

3 不同层间滑动位置力学分析

3.1 不同层间滑动位置对应力的影响

位系统的分析不同典型高模量路面结构层间接触状态对各层力学指标的影响规律，分别假定在上中面层、中下面层、下面层与基层、基层与底基层和底基层与土基等7种不同层间接触位置完全滑动，其他各层完全连续条件下进行力学计算，并与路面结构各层均处于连续状态时的力学指标进行对比[3]。不同结构层层间滑动位置下，荷载中心处结构路表及各层层底的应力计算结果如图2、图3所示。

图2 结构一不同层间滑动位置应力变化趋势

图3 结构二不同层间滑动位置应力变化趋势

从上图中可以看出：

(1)在整个路面结构层完全连续时，面层主要承受压应力或者较小的拉应力，与结构层完全连续相比较，当某一层层间处于不完全连续时，整个路面结构的应力显著变化，特别是底基层以上层位影响最为明显，底基层以下层位影响相对较小。由此可以看出，沥青面层间的接触状况对面层的受力影响较为明显，而对基层和底基层等层位的受力影响要小得多。

(2)在各层间完全连续条件下，上下面层主要承受压应力，仅在中面层有小幅的拉应力，压应力起控制作用，则规范要求验算的拉应力指基本没有意义，沥青层很难出现由于拉应力较大引发法人面层开裂病害；层间接触状态发生变化时，则沥青面层的受力状态和受力大小急剧变化，尤其是中下面层的拉应力迅速增加。与完全连续状态下计算结果相比较，上中面层层间完全滑动状态时，上面层底部由压应力变为拉应力；中下面层层间完全滑动状态时，中面层底部由压应力变为拉应力；在下面层与基层完全滑动状态时，下面层底部由压应力变为拉应力。

(3)不同层间接触位置下，下基层、底基层和功能层底的应力均为正值，这说明该结构层主要承受拉应力，层间接触状态的变化没有改变该结构层的受力状态，但拉应力值较各层间完全连续时均有一定幅度的增大。结构二的变化规律与结构一基本一致。

3.2 不同层间滑动位置对应变的影响

不同结构层层间滑动时，两种典型路面结构各结构层层底的应变计算结果如图4、图5所示。

图4 结构一不同层间滑动时的应变规律

从上图中可以看出：

(1)层间接触状态对路面结构层应变的变化规律与应力基本一致，底基层以上层位处于滑动状态下高模量路面结构各层的应变变化显著，底基层以下层位应变影响相对较小。

(2)与结构层完全连续相比较，上中面层层间滑动时，上面层底部的由压应变变化为较大拉应变；中下面层层间滑动时，中面层底部的拉应变大幅增加，由此可见，层间接触状态发生变化，会引起路面结构各结构层应变的显著变化，当结构层层底的拉应变超过混合料的极限拉应变，沥青面层便会出现疲劳开裂，且拉应变的最大值均出现在沥青面层底，在施工时应注意加强各结构层间的联结。

4 结束语

(1)路面结构一层间接触状态对各层应力应变的影响规律基本一致，即底基层以上层位滑动时对各层应力应变的影响较为显著，甚至会改变结构层的受力状态，底基层以下层位对结构层的影响较小。因此，高模量路面结构施工中应加强各结构层特别是底基层以上层位的层间联结处理。

(2)在结构二中，由于设置了级配碎石层，故滑动系数主要对级配碎石层以上的沥青面层底的应变影响较显著，级配碎石层以下的水稳层底应变受层间接触状态的影响很小。