喬琳 曹花麗 江磊

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺 264005)

目前對貧混凝土基層瀝青路面的研究主要是針對于高速公路等高等級路面，而對普通路面的研究較少。本文主要研究針對于二級公路的貧混凝土基層瀝青路面。

瀝青路面力學(xué)性質(zhì)屬于非線性的粘—彈—塑性體。為了簡化計算，本文將其視作線彈性層狀體系，并采用BISAR3.0(Bitumen Stress Analysis in Road)程序?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)應(yīng)力進行分析[1]。

1 模型的建立與基本假定

采用雙圓均布荷載，其中x向為道路行車方向，y向為道路橫斷面方向，z向為道路深度方向。模型建立如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型

并作出如下假定[2]:

1)各層都是由均質(zhì)、各向同性的線彈性材料組成，采用彈性模量E和泊松比μ表征;

2)土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，其上的各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限;

3)路表作用垂直荷載，荷載與路表面的接觸形狀呈圓形，接觸面上的壓力均勻分布，同時在下層無限深度處及水平無限遠處應(yīng)力和應(yīng)變都是零;

4)層間接觸面假定為完全連續(xù)。

2 路面結(jié)構(gòu)選取

選用瀝青面層為3 cm的上面層+4 cm的下面層，貧混凝土基層為20 cm，底基層為水泥穩(wěn)定碎石20 cm，具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)表

3 荷載及計算點位的選取

JTG D50.2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范規(guī)定:路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用雙圓均布豎向荷載作為作用荷載進行計算，輪胎壓力為0.7 MPa，荷載圓半徑為10.65 cm。

應(yīng)力計算點位的分布如圖2所示。在XOY水平面內(nèi)，O1點坐標(biāo)為(0，－159.75)，O 點坐標(biāo)為(0，0)，A 點坐標(biāo)為(0，53.25)，B 點坐標(biāo)為(0，106.5)，O2點坐標(biāo)為(0，159.75)，C 點坐標(biāo)為(0，213)，D點坐標(biāo)為(0，266.25)。本文主要對 O 點，A點，B點，O2點，C點和D點位置處的應(yīng)力進行分析。

圖2 計算點位分布

4 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

4.1 力學(xué)指標(biāo)選取

一般路面設(shè)計時，我們主要關(guān)注疲勞和車轍兩種損壞[3]。其中車轍形成的主要原因是路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力過大，材料內(nèi)發(fā)生剪切滑移，導(dǎo)致路面極易產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，所以選取剪應(yīng)力作為表征車轍的主要力學(xué)指標(biāo)。而疲勞開裂是由結(jié)構(gòu)層內(nèi)的拉應(yīng)力的重復(fù)作用所致，所以選取拉應(yīng)力作為表征疲勞開裂的主要力學(xué)指標(biāo)[1]。

4.2 剪應(yīng)力分布規(guī)律分析

選取如表1所示的路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)，對雙圓均布豎向荷載不同作用點位即O點，A點，B點，O2點，C點和D點(如圖2所示)的應(yīng)力進行計算。分別計算剪應(yīng)力在不同點位沿路面深度方向(面層和基層)的分布規(guī)律[4]。

由圖3可知，瀝青面層內(nèi)最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在O2點處，即輪載中心點處。面層內(nèi)剪應(yīng)力基本呈現(xiàn)先增大而后減小的規(guī)律，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在C點處深度3 cm～5 cm范圍內(nèi)，顯然當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)性車轍病害時，在面層受剪力最大部分3 cm～5 cm的區(qū)域內(nèi)，首先發(fā)生剪切破壞。

圖3 剪應(yīng)力沿路面深度分布規(guī)律

由圖3又可知基層內(nèi)最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在O點處，即輪隙中心點處。各作用點位在基層內(nèi)沿路面深度的分布基本上呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，基層頂部與底部受到的剪應(yīng)力都比較大。而最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在基層分別與面層和底基層的接觸部位。

4.3 拉應(yīng)力分布規(guī)律分析

對雙圓均布豎向荷載不同作用點位即O點，A點，B點，O2點，C點和D點(如圖2所示)的應(yīng)力進行計算。分別計算正應(yīng)力沿路面深度(面層和基層)的分布規(guī)律。

由圖4可知，面層內(nèi)部對應(yīng)各點沿路面深度方向各計算點受正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而不出現(xiàn)拉應(yīng)力，即表示面層結(jié)構(gòu)內(nèi)不會因彎拉應(yīng)力而出現(xiàn)開裂破壞。壓應(yīng)力的變化趨勢是逐漸減小，最大值出現(xiàn)在B點位置的面層表面。

圖4 正應(yīng)力在不同接觸狀態(tài)下沿路面深度分布規(guī)律

由圖4又可知，各作用點位在基層內(nèi)沿路面深度正應(yīng)力的分布都是數(shù)值不斷增大，即由壓應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力變化，壓應(yīng)力逐漸減小，拉應(yīng)力逐漸增大，而壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的交替部位都是在深度20 cm左右。在基層頂面壓應(yīng)力最大，而基層底部拉應(yīng)力值達到最大，顯然基層底部最容易出現(xiàn)開裂破壞。

5 結(jié)語

通過計算分析得出如下結(jié)論:

1)瀝青路面設(shè)計時主要考慮車轍和疲勞，分別用剪應(yīng)力和拉應(yīng)力力學(xué)指標(biāo)來表示。

2)瀝青面層內(nèi)剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在3 cm～5 cm范圍內(nèi)，這一部分容易首先發(fā)生破壞，施工時應(yīng)加強注意。

3)面層與基層兩者接觸部位的剪應(yīng)力都比較大，因此對于整個路面結(jié)構(gòu)來說，面層與基層的接觸區(qū)域剪應(yīng)力比較大，會對路面的高溫穩(wěn)定性與耐久性產(chǎn)生不利影響，較易產(chǎn)生剪切破壞，易使路面產(chǎn)生車轍、推擠等病害。

4)面層與基層的正應(yīng)力數(shù)值都是逐漸增大的，其中面層內(nèi)拉應(yīng)力最大值在面層底部;基層內(nèi)拉壓應(yīng)力的交替值在深度20 cm左右，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在基層底部。

[1] 馬慶偉.基于層位功能考慮的耐久型瀝青路面結(jié)構(gòu)研究[D].西安:長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[2] 于 玲，鐘右鵬，包龍生，等.交叉路口瀝青路面變形病害機理分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，26(4):709-715.

[3] 陳東鵬，童申家.倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面面層層底拉應(yīng)變分析[J].公路工程，2010，35(1):79-81.

[4] 柳 浩，譚憶秋，宋憲輝，等.瀝青路面基—面層間結(jié)合狀態(tài)對路面應(yīng)力響應(yīng)的影響分析[J].公路交通科技，2009，26(3):1-6.