城市道路沥青路面结构力学分析

付建波

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州）

城市道路是地区建设的基础，也是支撑社会运转的核心因素。但就我国城市道路建设实际情况来看，大多存在路面使用寿命不足的问题并伴随存在多种病害，其主要受到材料、设计、工艺及管理等因素的影响[1]。尽管城市道路建设的体量、数量都处于快速发展的阶段，但迅猛增加的机动车保有量对此也提出了更高的要求，尤其是重载现象层出不穷使得道路路面问题越发严重[2]。为有效缓解城市道路路面存在的早期破坏，应当针对结构力学状态展开全面分析，明确各项设计参数对于路面结构的影响。并以此为基础进一步选择合适结构型式、设计参数，结合建设地实际情况优化施工方案，使得项目经济效益、结构性能都能够得到综合提升。

1 路面材料选择

1.1 面层材料

不同级配的沥青混合料具有不同性质及适用范围[3]。一般而言，密集配沥青混合料能够广泛应用于各等级公路的不同部位。混合料粒径大小直接影响着其应用层位，混合料粒径在道路路面结构中自上而下逐渐增大。其中特粗型主要用于基层；粗粒型主要用于基层、下面层；中粒型主要用于表面层、下中面层；细粒型主要用于薄层罩面、表面层；砂粒型则主要用于人行道、非机动车道等。

1.2 基层材料

道路基层承担着上部荷载的作用，应当兼具较好稳定性、耐久性及承载能力。根据材料性能、结构类型等不同，路面基层一般可分为柔性、刚性及半刚性三类。研究发现[4]，柔性基层能够有效控制路面早期开裂及破坏，且其与沥青面层所形成结构在应力、应变的协调过渡上具有良好效果。此外，柔性基层材料多为级配成型的颗粒状，具有良好排水效果，降低路面结构的水损影响。

2 城市沥青道路路面力学分析

路面结构的力学分析按照我国现行路面设计规范执行，结构设计假定在垂直施加的双圆均布荷载下进行，依据弹性层状体系理论完成分析[5]。

为便于分析，本研究取我国某市政道路实际设计参数展开分析，该道路为当地主干路，其累积受轴载作用约为500 万轴次。分别取该道路路面的结构层底拉应力及面层剪应力为指标展开分析，并按照100 KN 标准轴载，施加垂向双圆均布荷载。取行车方向为X 轴、垂行车方向为Y 轴，建立得到坐标系见图1。

图1 路面结构力学计算

在图1 中选择最可能发生破坏的7 个坐标点位，分别为A、B、C、D、E、F、O。分别选取两种不同路面，探究结构层厚度与层底拉应力、弯沉之间的关系，其路面结构形式见表1。

表1 两类路面结构形式

2.1 结构层厚度对路表弯沉值的影响分析

2.1.1 沥青面层厚度的影响分析

（1） 上面层厚度的影响分析

在上面层模量为1 400 MPa 的条件下，分别取面层厚度为4 cm、5 cm、6 cm、7 cm、8 cm，探究上面层厚度、路表弯沉之间的关系，得出计算结果见表2，两者变化关系见图2。

表2 不同上面层厚度下的路表弯沉值

图2 上面层厚度、路表弯沉间关系

根据表2、图2 可知在上面层厚度增大的过程中，路表弯沉值呈现出下降趋势。其中，上面层厚度自4 cm 上升至8 cm 时，对应路表弯沉值有下降趋势，且随着厚度增加弯沉值下降差值不断缩小，因此当上面层厚度处于4～7 cm 范围内时路表弯沉值变化较为显著；而当上面层厚度处于7～8 cm 范围内时路表弯沉值下降速度则较缓，可认为在上面层厚度大于7 cm 时弯沉值所受影响较为有限。

（2） 中面层厚度的影响分析

在中面层模量为1 200 MPa 的条件下，分别取面层厚度为6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm，探究中面层厚度、路表弯沉之间的关系，得出计算结果见表3，两者变化关系见图3。

表3 不同中面层厚度下的路表弯沉值

图3 中面层厚度、路表弯沉间关系

根据表3、图3 可知在中面层厚度增大的过程中，路表弯沉值呈现出下降趋势。其中，中面层厚度自6 cm 上升至10 cm 时，对应路表弯沉值有下降趋势。因此可知，将中厚层的厚度自6 cm 调整至10 cm，能够显著提升道路路面使用寿命。特别地，在中厚层厚度自6 cm 提升至7 cm 的过程中，路面弯沉值发生了大幅度下降。

（3） 下面层厚度的影响分析

在下面层模量分别为1 000 MPa 的条件下，分别取面层厚度为8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm，探究下面层厚度、路表弯沉之间的关系，得出计算结果见表4。

表4 不同下面层厚度下的路表弯沉值

根据表4 可知在下面层厚度增大的过程中，路表弯沉值呈现出下降趋势。其中，下面层厚度自8 cm 上升至12 cm 时，对应路表弯沉值有下降趋势。因此可知，将下面层的厚度自8 cm 调整至12 cm，能够显著提升道路路面使用寿命。

总体来看，为实现对路表弯沉值的有效控制，可适当增加面层厚度，但需要注意的是由此也会带来成本上升。

2.1.2 柔性基层厚度的影响分析

在下面层模量分别为1 200 MPa 的条件下，分别取基层厚度为21/22/23/24/25 cm，探究基层厚度、路表弯沉之间的关系，得出计算结果见表5。

表5 不同基层厚度下的路表弯沉值

根据表5 可知在基层厚度增大的过程中，路表弯沉值呈现出下降趋势。其中，基层厚度自21 cm 上升至25 cm 时，对应路表弯沉值有下降趋势。

2.1.3 底基层厚度的影响分析

在下面层模量分别为225 MPa 的条件下，分别取基层厚度为27/28/29/30/31 cm，探究基层厚度、路表弯沉之间的关系，得出计算结果见表6。

表6 不同底基层厚度下的路表弯沉值

根据表6 可知在底基层厚度增大的过程中，路表弯沉值呈现出下降趋势。其中，基层厚度自27 cm 上升至31 cm 时，对应路表弯沉值有下降趋势，但其降幅较小。

2.2 基层厚度对层底拉应力的影响分析

2.2.1 ATB 层厚度、级配碎石基层厚度的影响分析

（1） ATB 层厚度的影响分析

ATB 层厚度自17 cm 提升至25 cm 的过程中，各结构层的层底拉应力见图4。

根据图4 可知，ATB 层厚度自17 cm 上升至25 cm 时，对应各结构层的层底拉应力有下降趋势，且其按照固定差值下降，具有较为显著规律。

图4 不同ATB 层厚度下各结构层的层底拉应力

（2） 级配碎石基层厚度的影响分析

随着级配碎石基层厚度的增加，各结构层的层底拉应力变化情况见图5。

图5 不同级配碎石基层厚度下各结构层的层底拉应力

根据图5 可知，级配碎石层厚度自26 cm 上升至30 cm 时，对应各结构层的层底拉应力较为稳定，未出现明显变化，由此可认为在该结构中级配碎石厚度对于控制各结构层层底拉应力的作用有限。

2.2.2 水泥稳定碎石基层厚度的影响分析

随着水泥稳定碎石基层厚度的增加，各结构层的层底拉应力变化情况见图6。

根据图6 可知，水泥稳定碎石层厚度自26 cm 上升至34 cm 时，对应各结构层的层底拉应力呈现出下降趋势。其中，底基层的层底拉应力水平较低，这样主要是由于水泥稳定碎石材料具有一定松散性，无法形成有效层间拉力，因此计算得出的层底拉应力为土基上表面与底基层之间的拉应力。

图6 不同水泥稳定碎石基层厚度下各结构层的层底拉应力

2.2.3 层底拉应力比对

根据上述分析结果可知，当采用ATB+级配碎石方案作为基层结构时，其底基层的层底拉应力相较于级配碎石+水泥稳定碎石方案更大。按照受力分析来看，可认为后者的力学状态更为合理，应优先选择。

3 结论

本研究从道路面层、基层材料选择要点出发，基于工程实际需求分别研究了不同结构层厚度下路表弯沉、层底拉应力的变化规律，研究结果表明：

（1） 在控制面层、基层及底基层中任意两层厚度不变的基础上，提升另一层厚度，路表弯沉值呈现出下降趋势。

（2） 在面层厚度不变的基础上，提升基层厚度，层底拉应力呈现出下降趋势。

（3） 在两种设计方案比对中，级配碎石+水泥稳定碎石方案对应底基层的层底拉应力更小，方案更优。