碎石垫层模量对路面力学性能的影响分析

李洪雁

(新疆巴音郭楞蒙古自治州交通运输局，新疆 库尔勒 841000)

1 路面结构与计算方案

由于碎石垫层与路面顶面距离较远，在荷载作用下产生的应力、应变水平不高，碎石垫层模量的非线性特点不明显，因此本次计算中仍假定为线弹性材料[2]。计算时将整个路面结构看作为一种多层连续线弹性体系，采用壳牌(SHELL)法的BISAR程序对不同模量下产生的路面结构应力效应值进行计算[3]。结构层各层泊松比、20 ℃和15 ℃抗压模量取值如表1。

表1 路面结构与参数

计算图示如图1所示，计算模型采用标准轴载，即双轮组单轴100 kN，BZZ-100单轮当量圆直径取值为21.3 cm，两轮间距则为10.65×3=31.95 cm，轮胎接地压力p为0.7 MPa[4]。根据计算模型，计算在不同垫层模量下A、B、C、D各计算点处各层层底拉应力σt、应变εt、土基顶面压应变εc、面层内部剪应力及基层内部应力效应值。

图1 力学分析结构示意图(单位：cm)

2 碎石垫层模量对结构受力的影响

2.1 沥青混凝土面层应力变化

(1)层底拉应力

根据计算模型，碎石垫层厚度取值为20 cm，分别计算碎石垫层模量为50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 MPa时各计算点处沥青混凝土各面层层底拉应力。上、中、下面层层底拉应力计算结果如图2、图3、图4所示，其中拉应力为正，压应力为负，A、B、C、D则分别代表四个不同计算点，路面结构厚度及计算点具体位置详见图1。

图2 上面层层底拉应力

图3 中面层层底拉应力

图4 下面层层底拉应力

从图2～图4中计算结果可以看出，沥青混凝土面层内，上、中、下面层层底均处于受压状态，最大水平压应力也均位于单圆荷载中心处。从层底拉应力随垫层模量的变化趋势来看，各层层底拉应力随模量增大有减小的趋势，但变化幅度均很小，幅度均在20 kPa以内，碎石垫层模量对各面层层底拉应力的影响并不显著。从各面层层底产生的拉应力大小来看，上面层层底拉应力最大，其次为中面层，下面层产生的拉应力为最小。

(2)剪应力

当级配碎石材料的抗剪强度不足时，产生的剪切破坏会使路面的车辙大幅增加，尤其在纵坡较大的路段，由于水平荷载的骤增，级配碎石垫层还有可能产生剪切滑移，使沥青面层更容易产生拥包等病害，严重影响路面的使用寿命。

对处于三向受力状态的路面结构层，在其破坏面上取单元体，其三个主应力分别为σ1、σ2、σ3，且σ1>σ2>σ3，该结构层材料的内摩擦角为φ[5]。根据莫尔强度理论，该点处所受剪应力τα取决于σ1和σ3，即

(1)

(2)

则有τα=τmcosφ

(3)

从公式(3)可以看出结构层内某点破坏时所受的剪应力τα与该点处所能承受的最大剪应力τm直接相关，并呈线性关系。因此可以通过研究结构层内最大剪应力τm的变化分析各因素对剪应力的影响。

在既定的路面结构参数下，轮迹边缘(C点位)沥青混凝土面层内部剪应力如图5所示。

图5 沥青混凝土面层内最大剪应力变化

从图5中看到，不同模量的碎石垫层，其对应的沥青混凝土面层内部剪应力变化趋势一致，峰值出现的深度相同，在上面层和中面层中内部剪应力逐渐减小，在下面层中剪应力又逐渐增大。随着碎石垫层模量的降低，面层内部剪应力逐渐增加，且增加幅度更大，这主要由于碎石垫层模量降低过多以后，半刚性基层的下卧层刚性降低，会逐渐导致面层受剪后产生更大剪切变形和剪应力。

路表的剪应力变化幅度在9共场所kPa以内，剪应力最多增大了21.7%。碎石垫层模量在300～400 MPa范围内变化时，面层内剪应力较接近；向上提高模量并未显著减小面层剪应力，而减小模量，面层内的剪应力却会较显著的增大，这一范围对控制面层剪应力来说应为较理想的取值，以保证沥青混凝土面层不出现明显车辙和推移等病害。

2.2 半刚性基层应力变化

(1)层底拉应力

在既定路面结构参数下，半刚性基层的层底拉应力如图6、图7所示，其中A、B、C、D分别代表四个不同计算点，路面结构厚度及各计算点具体位置详见图1。

图6 上基层层底拉应力

图7 下基层层底拉应力

通过图6和图7可以看到，半刚性基层与底基层层底拉应力均随着碎石垫层模量增大，呈明显的减小趋势，基层与底基层层底拉应力最多分别减小了196.43%、44.46%；此外，随着垫层模量的增大，C点位处基层层底应力持续减小，最终由拉应力变为压应力。另外，由图中结果可以看到，碎石垫层模量250 MPa对于基层与底基层层底拉应力，均是一个显著的分界点；如果垫层模量小于这个值，基层层底的拉应力增大更显著，这对于半刚性基层以及沥青混凝土面层都不利。因此，路面结构设计中适当增大碎石垫层模量，对减小半刚性基层层底拉应力，减少路面裂缝有重要作用。

(2)层内水平应力

半刚性基层内水平应力变化如图8所示。

图8 半刚性基层内水平应力变化

从图8中碎石垫层不同模量下轮迹中心处(D点位)半刚性基层层内水平应力结果可以看到，半刚性基层内处于上压下拉的状态，上基层大部分位于受压区，下基层完全位于受拉区。随着碎石垫层模量增大，拉压区分界点将向下移动3 cm左右，即受压区增大，但上部受压区的压应力变化不明显，而下部受拉区的拉应力发生大范围变化。这表明碎石垫层模量的变化主要对下基层的水平拉应力产生重要影响，需适当增大碎石垫层模量控制下基层水平拉应力的增长。

3 结 语

对于沥青面层来说，面层内剪应力相比各面层层底拉应力，受碎石垫层模量变化的影响更显著；碎石垫层模量越小，面层内部产生的剪应力就越大，路面越容易因抗剪强度不足而产生车辙病害。此外，垫层模量对半刚性基层与底基层的层底拉应力也产生显著的影响；垫层模量的增大导致基层与底基层层底压应力的持续减小，基层也越容易因受到拉应力而发生开裂并向上发展，导致路面面层产生反射裂缝而遭到破坏。