半刚性基层沥青路面设计中强度指标分析

高海燕

为了提高沥青混合料路面建设水平，首先提出了半刚性基层沥青路面车辆轴载优化公式，随后探讨了其设计要点，最后依托某公路项目，利用软件ANSYS建立有限元模型，分析了半刚性基层沥青路面的强度指标变化趋势。

我国基础设施交通网络日益完善，公路工程建设速度不断提高，且国内公路的路面结构层大概80%以上均为沥青混合料路面。但是，如果沥青路面基层材料选择不合理，在车辆轴载影响下，会出现裂缝、凹槽等病害形式。

半刚性基层具有强度高，水稳定性好等优势，在沥青混合料路面设计中应用范围较大。鉴于此，国内外学者也开始针对半刚性基层路面设计开展了部分研究，并得到了一些有价值成果，但是，半刚性基层路面的研究方向往往集中基层材料、级配优化等方面，而对其强度指标的研究较少。同时设计人员在开展半刚性基层沥青路面设计时未能深入了解其强度指标变化规律，以工程类比法为主，这对沥青路面疲劳寿命的影响较不利。因此，研究半刚性基层路面的强度指标变化规律具有十分重要的工程意义。

一、半刚性基层沥青路面荷载修正

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中，沥青混合料路面设计时采用的是100kN标准轴载，汽车轮胎接地压力0.7MPa、单轮当量直径是21.3cm，圆中心距=3×轮胎接地半径。

但是，上述车辆标准轴载适用于常规工况下的沥青混合料路面设计，如果路面车辆轴载较大（超过130kN），路面材料使用性能容易出现非线性变化。此时，可根据“比利时经验法”中的来计算半刚性基层沥青路面的轴载。该方法采用的标准车辆轴载为80kN，各等级的道路路面计算参考下式：

式中：A—轮胎接地面积，cm2；P—单个轮胎荷载，N；p—轮胎与地面的接触压力。

为了减小和规范中1O0kN轴载的误差，需要对上述公式修正，修正后的轮胎接地压强和轴载的关系见下：

式中：pi、ps—分别为重载轮胎和普通轮胎接地压强，；Pi、Ps—分别为重载车辆轴载、标准轴载。

二、半刚性基层沥青路面设计要点分析

1.交通参数确定

交通参数是开展半刚性基层路面设计地前提和基础资料，它会直接影响沥青路面轴载换算结果、交通等级、路面结构层厚度拟定等。

（1）交通量获取

常规荷载下的公路交通量在调查时一般是利用道路观测站实时观测，并对观测数据采用相应的换算系数修正，从而得到年平均日交通量。同时，在开展轴载作用次数换算时往往不按轴型和轴载分别计算（没考虑荷载谱），而是基于概率统计对主要车型展开轴载换算。

（2）方向系数

方向系数为道路上某一方向累计当量轴次占总当量轴次百分比。方向系数能反映出某一方向车辆对半刚性基层路面的作用情况，如，公路上交通流由常规荷载车辆组成，则各方向车辆对沥青路面的作用情况基本相同，此时方向系数近似取1。而重载车辆以运送大件货物为主，行驶轨迹往往是单向，重载方向的路面应当单独设计，以避免常规车辆轴载方向的路面结构过于保守，从而提高路面设计经济效益。

2.沥青路面结构组合

沥青路面的基层和底基层是承受车辆荷载的主要结构层，应选强度高，抗弯拉应力强的半刚性材料，如，水泥稳定土、二灰稳定土等。如果路面上形式的重载车辆过多，路面基层不宜采用石灰土，因为石灰土中水稳性不好，在车辆荷载和水分作用下容易出现崩解现象，使基层结构变得更加松散，强度减小。

3.沥青路面结构验算

半刚性基层沥青混凝土路面组合初步拟定后，应采用HPDS、BISAR等软件对路面厚度进行永久变形量、基底拉应力等参数的验算，同时根据验算结果对路面结构组合开展动态调整。

三、半刚性基层沥青路面强度指标变化规律

要提高半刚性基层路面运营寿命，必须重视不同轴载下路面强度指标地变化规律。笔者拟利用ANSYS15.0绘制路面结构计算模型，从路表弯沉、基层层底拉应力两方面来沥青路面的强度指标变化规律。半刚性基层沥青混合料路面的计算可基于多层弹性理论。多层弹性理论的基本假设有：①路面各结构层是均匀连续的；②路面各结构层材料性质具有各向同性；③路面结构层间仅仅有竖向压应力，而没有相对滑动趋势。

1.工程概况

某公路全长20km，主线起讫桩号是K15+680～K35+680，建设标准是一级公路，双向四车道布置，设计速度80km/h，路面结构层总厚度是74cm，沿线可能存在较多的重型车辆轴载，土基填料是级配碎石。路面各结构层计算参数如表1：

表1 半刚性基层沥青路面物理力学参数

2.路面三维计算模型

由相关研究成果可知，网格尺寸对软件计算结果和效率影响十分明显。在综合考虑半刚性基层路面精确度和计算机运行速度的基础上，基层和底基层采用SOLID45单元划分，沥青面层采用SOLID185单元划分。其中，车辆轴载作用范围内的路面网格进行加密处理，网格尺寸选0.5m，其它部位网格尺寸选1m，共划分单元2828个，节点3276个。

3.半刚性基层沥青路面强度指标计算结果

（1）层底拉应力变化。基层和底基层是承受反复车辆荷载的主要结构，层底容易出现较大拉应力，从而导致面层的疲劳破坏，因此必须对半刚性沥青混合料路面的层底拉应力进行控制。在ANSYS中内置的动力模块对半刚性基层沥青路面施加了80kN、100kN、120kN、140kN、160kN、180kN、200kN的车辆轴载，不同轴载作用下沥青路面层底拉应力见图1。

图1 路面层底拉应力变化

计算结果表明：半刚性基层沥青路面层底拉应力随车辆轴载提高而提高，则路面抗疲劳寿命不断降低。当路面轴载从80kN提高至200kN，层底拉应力从0.05Mpa提高至0.106Mpa，增长幅度112%，即轴载每提高20kN，层底拉应力平均增长率达到18.67%。同时，层底拉应力增长趋势并不是线形变化的，其提高速率逐渐变缓。当车辆轴载达到200kN时，沥青路面层底拉应力基本不再变化。因此，在半刚性基层路面设计期间应当动态调整结构层厚度，尽可能降低层底拉应力，来降低车辆荷载对沥青混合料路面地早期破坏。

（2）路面弯沉变化。弯沉值是表征公路半刚性基层路面运营寿命的关键参数之一。一般情况下，弯沉越大，沥青路面承受车辆荷载的能力越差，荷载容易对路面产生破坏，从而降低道路的运营寿命。车辆轴载施加情况同上，ANSYS15.0得到的不同轴载作用下路面弯沉如图2所示：

图2 沥青路面弯沉变化

由图2可知：随着车辆轴载的提高，路表弯沉基本呈线性正相关变化。当车辆轴载从80kN提高到200kN，弯沉值从0.21mm增加至0.79mm，增长幅度276.2%。这表明车辆荷载对半刚性基层路面承载力和使用期限的影响较大，必须在路面设计中充分重视。

四、结语

文章分析了半刚性基层沥青路面的轴载换算、设计要点及强度指标变化规律，主要得出以下几个方面结论：（1）半刚性基层沥青路面设计时通常采用100kN标准轴载，如果轴载超过130kN，宜根据“比利时经验法”中进行修正；（2）沥青混合料路面应选强度高，抗弯拉性能强的半刚性材料作为基层，并对路面强度指标进行验算和动态调整对路面组合和厚度进行动态调整；（3）半刚性基层沥青路面层底拉应力随轴载提高而提高，但增长并不是线形变化，其增长速率逐渐变缓；⑷随着车辆轴载的提高，路表弯沉基本随之呈线性正相关关系。