柔性基层长寿命沥青路面结构力学分析

张健， 谢波

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

中国大部分路面以半刚性基层为主，路面使用寿命往往达不到预期要求，在未达到使用年限时路面就出现大量车辙、泛油、疲劳开裂、沉陷和裂缝等早期损害。欧美等国家针对厚沥青砼结构和全厚式结构提出柔性基层的沥青路面结构设计思想，并对柔性基层结构设计、各结构层材料选择和混合料选择与设计等进行了研究。柔性基层具有高温稳定性好、低温抗裂性好、抗疲劳开裂的优点，且柔性基层沥青路面结构早期病害少、使用寿命长。

近年来长寿命沥青路面成为热门课题。孙立军等通过对以往路面的调查研究，认识到力学理论不能完全解决路面损坏问题，并通过阐述路面损坏特性及机理，建立了路面结构行为方程，提出了全寿命设计的概念及流程；郑健龙提出了基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想；崔鹏等采用SHELL、AI等方法对国外长寿命沥青路面设计指标进行修正，提出了适用于中国的长寿命柔性基层沥青路面设计指标。该文建立有限元模型，通过调整结构层厚度和基层厚度、弹性模量等参数的多种组合，分析长寿命沥青路面结构层参数对路表弯沉、沥青面层底拉应变、土基顶压应变的影响，为长寿命沥青路面结构设计提供参考。

1 模型建立

路面设计计算采用的标准轴载为100 kN,以BZZ-100表示，计算荷载与JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》中规定的标准轴载(BZZ-100)的对应关系见表1。考虑到荷载与路面结构的对称性，采用轴对称结构对路面进行分析，单轮传压面当量圆直径取为20 cm。

表1 轴载计算参数

有限元模型见图1。模型材料单元为183Plane。约束模型左边界的X方向位移，固定模型右边界和底边界。

f为横断面长度，取一条车道；g为轮胎接地圆半径

中国耐久性沥青路面设计指标为：沥青层底拉应变不大于120 με，土基顶面压应变不大于280 με，路表弯沉值小于35 (0.01 mm)。在沥青路面结构设计中，若这3项指标都能满足，则定义为长寿命沥青路面。虽然最新的沥青路面设计规范废除了弯沉值这一传统指标，但考虑到弯沉与路面结构的各种损坏形式和使用功能评价均有一定联系，继续保留弯沉指标。

2 结构参数拟定

拟定长寿命柔性基层沥青路面结构为5～12 cm SMA-13+15～38 cm AC-20+8～16 cm 沥青稳定碎石+10～50 cm级配碎石+土基(见图2)。

图2 多层轴对称模型

根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》，选定表2所示沥青路面结构参数。

表2 柔性基层沥青路面结构参数

3 沥青层厚度对设计指标的影响分析

沥青层厚度设计为10～50 cm，取沥青层厚度20、23、26、29、32、35、38、41、44、47和50 cm进行分析，并在相同沥青层厚度下调整基层和土基层等结构层参数在各自范围内取最值进行正交组合，分析不同沥青层厚度对各设计指标的影响。结构参数组合见表3，不同沥青层厚度下弯沉、沥青层底拉应变和土基顶压应变计算结果见图3～5。

表3 结构参数组合

由图3可知：随着沥青层厚度的增加，弯沉大体呈降低趋势。沥青层厚度从20 cm增加到25 cm时，大部分组合的弯沉值不满足长寿命沥青路面指标要求；沥青层厚度不断增加的过程中，不同最值正交组合对应的弯沉值不断降低，沥青层厚度增加到40cm时，满足和不满足长寿命沥青路面结构指标的组合近似各占一半，故还需综合考虑其他因素；沥青层厚度继续增加，绝大部分路面结构组合的路表弯沉能满足长寿命沥青路面指标要求。

图3 沥青层厚度对路表弯沉的影响

由图4可知：随着沥青层厚度的增加，沥青层底拉应变大体呈降低趋势，个别组合近似成反比例关系。沥青层厚度从20 cm增加到35 cm时，大部分组合的沥青层底拉应变始终大于长寿命沥青路面层底拉应变临界值120 με，不满足长寿命沥青路面要求；沥青层厚度不断增加的过程中，不同最值正交组合对应的沥青层底拉应变不断降低，沥青层厚度增加到45 cm时，满足和不满足长寿命沥青路面结构指标的组合近似各占一半，故还需综合考虑其他因素；沥青层厚度继续增加，大部分路面结构组合的沥青层底拉应变能满足长寿命沥青路面指标要求。

图4 沥青层厚度对沥青层底拉应变的影响

由图5可知：随着沥青层厚度的增加，土基顶压应变大体呈降低趋势。沥青层厚度为20 cm时，一半以上路面结构组合的土基顶压应变无法达到长寿命沥青路面要求；沥青层厚度从20 cm增加到40 cm时，满足和不满足长寿命沥青路面结构指标的组合近似各占一半，还需综合考虑其他因素；沥青层厚度从40 cm继续增加，大部分路面结构组合的土基顶压应变小于临界值280 με，能达到长寿命沥青路面要求。

图5 沥青层厚度对土基顶压应变的影响

综上，沥青层厚度小于35 cm时，无法达到长寿命沥青路面要求；沥青层厚度大于或等于50 cm时，路面满足长寿命路面结构要求。新规范中各材料的动态模量与旧版相比显著增大，对各控制指标值有所影响。综合考虑路面结构材料性能和造价等因素，沥青面层厚度宜控制在50 cm内。

4 柔性底基层参数对设计指标的影响分析

通过调整柔性底基层厚度及相同柔性底基层厚度下面层、基层和土基层等参数，分析柔性底基层厚度对沥青层底拉应变、土基顶压应变和弯沉的影响。柔性底基层厚度设为10～50 cm，分别取底基层厚度10、15、20、25、30、35、40、45、50和55 cm进行分析，并在相同底基层厚度下调整面层和土基层等结构层参数在各自范围内取最值进行正交组合。不同柔性底基层厚度下组合4的沥青层底拉应变、土基顶压应变和弯沉见图6。

图6 柔性底基层厚度影响分析

由图6可知：随着柔性底基层厚度的增加，土基顶压应变和沥青层底拉应变降低。柔性底基层厚度从45 cm增加时，沥青层底拉应变小于极限层底拉应变120 με；柔性底基层厚度从40 cm增加时，土基顶压应变小于临界值280 με；路表弯沉随柔性底基层厚度的变化较平缓，柔性底基层厚度从40 cm增加时，路表弯沉小于极限弯沉35 (0.01 mm)。

综上，随柔性底基层厚度的增加，沥青层底拉应变、土基顶压应变和弯沉3个控制指标逐渐降低，且降低幅度均逐渐减小，其中土基顶压应变变化幅度较大。综合考虑路面材料性能和造价等方面因素，柔性底基层厚度宜控制在45 cm内。

5 结论

(1) 沥青层厚度是沥青层底拉应变的主要影响参数，考虑路面材料结构性能和造价等方面因素，沥青层厚度宜控制在50 cm内。

(2) 柔性底基层厚度对沥青层底拉应变、土基顶压应变和弯沉的影响较大，是土基顶压应变的主要影响因素。综合考虑，柔性底基层厚度宜控制在45 cm内。

(3) 新规范采用材料的动态模量，随着动态模量的增加，计算的各指标数值显著降低，沥青层厚度和柔性底基层厚度也有所降低。