结构层厚度和模量对全厚式沥青路面设计指标的影响

韩思宇

(黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 试验设计

1.1 设计标准及指标

法国路面设计理论采用双圆均布荷载作用下的弹性层状理论体系，与我国路面设计不同之处在于参数的选择上，法国以单轴双轮130 KN为标准轴载，轮胎接地压强为0.662 MPa，当量圆半径为0.125 m，材料参数以15 ℃、10 Hz动态复合模量为沥青混合料的材料参数进行计算。

法标全厚式沥青路面设计以沥青混合料的层底弯拉应变εt和路面承台层顶压应变εz为控制指标，沥青混合料的层底弯拉应变可以反映材料的疲劳和应力应变情况，路面承台的层顶压应变可以更好的反映路面的总变形量。

1.2 应变分析方案

本文采用法国标准，利用法国沥青路面设计软件ALIZE进行设计，分析全厚式沥青混凝土路面不同厚度处的应变变化规律。部分设计参数取自于沾临高速，如表1所示。

表1 设计参数表

根据结构路网VRS道路(高速公路)卡片中全厚式沥青路面的常用材料，磨耗层选择BBME2沥青混合料、联结层选择BBSG3沥青混合料、基层选择GB4沥青混合料、底基层选择GB3沥青混合料，材料性能见表2。

表2 材料性能表

1.3 正交试验方案

(1)模量的影响

根据法国规范中的各结构层材料的选择及各材料的性能参数，列出各层材料模量参数表，如表3所示。

表3 模量参数表

采用正交试验法，各结构层选取其中4组数据进行计算，按照3因素4水平的正交试验安排试验表。选取模量时，为了更直接有效的反映其中关系，本文选取面层和基层模量时以整数单位选取，正交试验表见表4。参考结构性路网所提供的结构，厚度选取磨耗层4 cm+联结层6 cm+基层12 cm+底基层12 cm。

表4 3因素4水平模量变化正交试验表L16(43)

(2)厚度的影响

法标中，各结构层和材料都有一个厚度范围，如表5所示。

表5 材料厚度规范表

进行正交设计时，将磨耗层、联结层和基层一起组成3因素4水平正交试验表，见表6。参考各结构层材料规范，选取各结构层模量，磨耗层7 000 MPa+联结层9 000 MPa+基层、底基层11 000 MPa+路面承台120 MPa。

表6 3因素4水平厚度变化正交试验表L16(43)

2 计算结果与分析

2.1 应变结果与分析

利用ALIZE软件进行计算，计算出沥青层底拉应变εzadm为240.2 με，承台层顶压应变εtadm为52.8 με，并确定路面厚度为磨耗层4 cm+联结层6 cm+基层16 cm+底基层16 cm。不同厚度处弯拉应变如图1所示。

图1 弯拉应变沿深度变化图

从图1可以看出，初始时应变为拉应变，到9 cm深度处开始转为压应变，面层和基层的应变沿深度变化的变化率近乎相似。在荷载作用下，面层主要为拉应变，基层主要为压应变，拉应变最大值出现在磨耗层层底位置，压应变最大值出现在路面承台顶部。沥青层的拉应变值较小，路面承台压应变值较大，在进行设计时，应重点考虑路面承台的压应变。

2.2 模量的影响结果与分析

按照表3的正交试验表，利用ALIZE软件计算沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变，得出结果如表7所示。

表7 拉、压应变计算结果

对试验结果采用极差法进行数据处理，求出各个因素水平下的指标之和，计算平均值然后求极差，极差值越大，对试验指标的影响越大。分析结果如表8、表9所示。

表8 沥青层层底拉应变极差分析结果

表9 承台层顶压应变极差分析结果

由表8结果可以看出，路面承台模量的极差值是面层的10倍，是基层的3倍，表明路面承台模量是沥青层层底拉应变的重要影响因素，其次是基层模量，面层模量的影响最小。由表9结果可以看出，路面承台模量的极差值是面层的11倍，是基层的5倍，表明路面承台模量同样也是路面承台层顶压应变的重要影响因素，其次是基层模量，面层模量对承台层顶压应变的影响最小。模量对沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变影响规律呈现相似性。

2.3 厚度的影响结果与分析

将表5的数据输入软件，计算沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变，得出结果如表10所示。

表10 拉、压应变计算结果

对试验数据进行极差分析，分析结果如表11、表12所示。

表11和表12结果显示，基层厚度的极差值是磨耗层和联结层的1.9倍，磨耗层厚度和联结层厚度的极差值几乎相等，表明基层厚度对设计指标的影响显著，磨耗层厚度和联结层厚度对设计指标的影响结果相同。厚度对沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变影响规律呈现相似性。

表11 沥青层层底拉应变极差分析结果

表12 承台顶面压应变极差分析结果

3 结 论

(1)全厚式沥青路面面层和基层应变沿深度变化的变化率相近，拉应变出现在面层，压应变出现在基层。拉应变较小，压应变较大，最大应变出现在路面承台顶部。

(2)路面承台模量是设计指标的重要影响因素，远大于基层模量和面层模量对设计指标的影响。

(3)基层厚度对设计指标影响显著，其次是磨耗层厚度和联结层厚度，磨耗层厚度和联结层厚度对设计指标的影响结果相同。

(4)模量和厚度对沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变影响规律呈现相似性。