姜利　趙建峰

摘要：分析瀝青混合料應(yīng)力吸收層在含有裂縫的半剛性基層復(fù)合式路面中的受力狀況，對于選擇應(yīng)力吸收層材料和設(shè)計道路結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。采用有限元分析方法，建立含應(yīng)力吸收層瀝青路面有限元模型，分析軸載和模量變化對應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響。結(jié)果表明：應(yīng)力吸收層處于應(yīng)力極為復(fù)雜的位置，尤其是處于裂縫處應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，隨著應(yīng)力吸收層模量在一定范圍內(nèi)的提高，能夠緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著軸載增大，應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力明顯增加，道路使用壽命降低。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力吸收層；瀝青路面；軸載；反射裂縫；應(yīng)力集中

中圖分類號：U 416.2；S 773.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0088-04

Analysis on the Effects of Different Axle Load on Asphalt

Pavement with Stress Absorbing Layer

Jiang Li，Zhao Jianfeng

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：The analysis on the stress situation of stress absorbing layer of asphalt mix in the semirigid composite pavement that contains cracks has important significance for the selection of stress absorbing layer materials and road structure design.In this paper，a finite element model was established based on the stress absorbing layer in asphalt pavement by finite element analysis method，and the influence of axle load and the modulus of stress absorbing layer on the loading stress of stress absorbing layer was analyzed.The results indicated that the stress absorbing layer was in the position where the stress was extremely complex.The stress concentration was especially obvious on the bottom of the absorbing layer at the cracks.With the increase of the modulus of stress absorbing layer within a certain range，the stress concentration can be relieved.With the increase of axle load，the stress on the bottom of stress absorbing layer increased significantly and the life of the road reduced.

Keywords： stress absorbing layer；asphalt pavement；axle load；reflective cracks；stress concentration

收稿日期：2014-06-10

基金項目：交通運(yùn)輸部科技項目（2009318000088）

第一作者簡介：姜利，碩士，副教授。研究方向：道路工程。Email：jiangli_nefu@126.com

引文格式：姜利，趙建峰.不同軸載對含應(yīng)力吸收層瀝青路面的影響分析[J].森林工程，2015，31（1）：88-91.目前在我國已建成高等級公路中，90%以上瀝青路面采用半剛性基層這種結(jié)構(gòu)形式，半剛性基層有諸多優(yōu)點(diǎn)，其承載能力和抗變形能力強(qiáng)、抗凍性良好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)；不過半剛性基層最大的缺點(diǎn)就是容易因為干縮或者溫縮而產(chǎn)生裂縫，最后產(chǎn)生嚴(yán)重的路面破壞[1]。反射裂縫是目前瀝青路面普遍存在的病害形式之一。反射裂縫的出現(xiàn)，不僅破壞了路面的整體性和連續(xù)型，影響路表的美觀[2]；更為嚴(yán)重的是所產(chǎn)生的裂縫為路表水提供了下滲的通道，使路表水通過裂縫進(jìn)入基層和路基，大大削弱了路基的強(qiáng)度和剛度，加速了瀝青路面的破壞，嚴(yán)重影響了路面的使用性能[3-4]。

近年來，道路上不斷出現(xiàn)許多重載和超載車輛，在行駛過程中，會加快道路破壞，嚴(yán)重影響道路的使用壽命[5]。在面層和開裂的半剛性基層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層是一種有效的防治反射裂縫的措施，應(yīng)力吸收層不僅可以消除應(yīng)力集中，減緩裂縫向瀝青面層的擴(kuò)展，還可以隔斷路表水下滲的通道，防止其進(jìn)入基層。應(yīng)力吸收層處于瀝青面層和半剛性基層之間，裂縫尖端應(yīng)力情況復(fù)雜，受力狀態(tài)對其不利[6-8]。因此，有必要對應(yīng)力吸收層本身受力狀態(tài)進(jìn)行分析。本文采用有限元分析軟件建立含應(yīng)力吸收層瀝青路面有限元模型，分析交通荷載變化對應(yīng)力吸收層的應(yīng)力和道路使用壽命的影響以及結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，為含應(yīng)力吸收層的瀝青路面結(jié)構(gòu)組成提供參考。

1有限元計算模型和參數(shù)

1.1計算模型

視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系，瀝青面層、應(yīng)力吸收層、半剛性基層和地基均采用三維8節(jié)點(diǎn)線彈性等參元。對各結(jié)構(gòu)層做如下假設(shè)：①各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)、均勻和各向同性的彈性體；②各層層間垂直和水平方向位移均連續(xù)；③結(jié)構(gòu)物在受車輪荷載作用以前，視應(yīng)力為0，不考慮路面結(jié)構(gòu)的自重影響；④土基底面各向位移為0，土基側(cè)面水平方向位移為0；⑤半剛性基層的裂縫是貫通裂縫，裂縫尖端已達(dá)到面層底部，裂縫寬度假設(shè)為0.5 cm，且裂縫處無傳遞荷載能力。

1.2計算參數(shù)

研究表明車輪荷載作用在裂縫一側(cè)的偏荷載對瀝青路面最為不利，因此，采用偏荷載荷位進(jìn)行計算比較合理[9]。在常溫下，應(yīng)力吸收層混合料具有較低模量，從而抑制反射裂縫的擴(kuò)展[10-11]。計算主要考慮不同荷載下應(yīng)力吸收層內(nèi)的應(yīng)力變化，各結(jié)構(gòu)層主要計算參數(shù)見表1。

第1期姜利等：不同軸載對含應(yīng)力吸收層瀝青路面的影響分析

森林工程第31卷

為了定量分析軸載對含應(yīng)力吸收層瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，采用單軸軸載進(jìn)行分析，以標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN為最低值，按照40kN的增量進(jìn)行遞增，軸載最高值為220KN，由于軸載變化，接地面積也應(yīng)隨著改變，可根據(jù)比利時法的軸載與輪胎接地面積的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[12]。

A=（0.008P+152）±70。（1）

式中：A為輪胎接地面積；P為每個輪胎的荷載；±70為保證率達(dá)到95%的離差范圍。

接地面積和輪壓均隨軸載的增加而增加，圓心距31.95 cm不變，軸載與輪壓、接地面積的關(guān)系見表2。

表2不同軸載與接地壓強(qiáng)、接地面積和半徑關(guān)系

Tab.2 Relationship between axle load and pressure，area，and radius

軸重/kN100140180220接地面積/cm2357432512592輪壓/MPa0.7000.8100.8790.929半徑/cm10.6511.7312.7713.732不同軸載下的應(yīng)力分析

在軸載作用下，含應(yīng)力吸收層瀝青路面在半剛性基層裂縫處變形最大，裂縫對應(yīng)處層底易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)反射裂縫，因此，在進(jìn)行應(yīng)力計算時，主要考慮應(yīng)力吸收層在裂縫處的最大主拉應(yīng)力σ1和最大剪應(yīng)力σmax。

2.1不同軸載下的最大主拉應(yīng)力分析

當(dāng)應(yīng)力吸收層模量為400、600和800 MPa時，不同軸載下距路表不同深度的最大主拉應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3不同軸載下應(yīng)力吸收層最大主拉應(yīng)力

Tab.3 The maximum principal tensile stress of

stress absorbing layer under different axle load

深度

/m模量

/MPa不同軸載下最大主拉應(yīng)力/MPa1001401802204000.1320.1530.1660.1750.1206000.1450.1680.1820.1928000.1530.2770.1920.2034000.1430.1650.1790.1890.1256000.1570.1820.1970.2088000.1660.1920.2080.2204000.1630.1890.2040.2160.1306000.1790.2070.2240.2378000.1900.2200.2380.2524000.1960.2270.2460.2600.1356000.2160.2490.2710.2868000.2290.2640.2870.3034000.2580.2980.3240.3420.1406000.2850.3300.3570.3788000.3020.3490.3790.4004000.4140.4790.5190.5490.1456000.4570.5280.5740.6068000.4860.5620.6100.645

由表3可知，在距路表深度0.120～0.125 m處，不同軸載下的最大主拉應(yīng)力變化幅度較為緩慢，不同模量下的最大主拉應(yīng)力為8.4%左右，隨著深度的增加，最大主拉應(yīng)力的增長速率加快，在距路表深度0.140 m至應(yīng)力吸收層層底時，應(yīng)力吸收層應(yīng)力增長迅速，在不同模量、不同軸載作用下應(yīng)力增幅達(dá)到60.46%～60.93%。從層底拉應(yīng)力的跳躍性變化可以看出，在重載作用下，應(yīng)力吸收層的材料抗拉伸變形和疲勞變形是考驗其路用性能的重要指標(biāo)，這要求對應(yīng)力吸收層材料的抗拉伸性能和抗疲勞性能提出較高標(biāo)準(zhǔn)，從而抑制反射裂縫的形成。

2.2不同軸載下的最大剪應(yīng)力分析

當(dāng)應(yīng)力吸收層模量為400、600和800 MPa時，不同軸載下的距路表不同深度的應(yīng)力吸收層最大剪應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

表4不同軸載下應(yīng)力吸收層最大剪應(yīng)力

Tab.4 The maximum shear stress of stress

absorbing layer under different axle load

深度

/m模量

/MPa不同軸載下最大剪應(yīng)力/MPa1001401802204000.2630.3040.3300.3490.1206000.2850.3290.3570.3788000.3010.3480.3770.3994000.2780.3210.3490.3690.1256000.2990.3450.3750.3968000.3140.3630.3940.4164000.2950.3410.3700.3910.1306000.3180.3680.3990.4228000.3390.3920.4250.4494000.3160.3650.3960.4190.1356000.3430.3960.4300.4558000.3710.4290.4650.4924000.3670.4240.4600.4870.1406000.4030.4660.5060.5348000.4360.5040.5470.5784000.5340.6170.6700.7080.1456000.5920.6840.7430.7858000.6320.7310.7930.838

由表4可以看出，隨著軸載的增大，最大剪應(yīng)力呈增大趨勢。在應(yīng)力吸收層上部，即距路表0.120～0.135 m段，最大剪應(yīng)力在不同軸載作用下增幅緩慢，最大僅為9.44%；在0.135～0.140 m時，最大剪應(yīng)力增加17.78%；在0.140～0.145 m時，最大剪應(yīng)力增加了47.64%。由于最大剪應(yīng)力在層底的大幅增加，會加劇材料的破壞和開裂，因此要求應(yīng)力吸收層材料具有良好的抗剪切破壞能力。為了更好的反映應(yīng)力吸收層模量對路面結(jié)構(gòu)的影響，選取不同模量下瀝青面層底部應(yīng)力，結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著應(yīng)力吸收層模量的增加，在裂縫對應(yīng)處應(yīng)力吸收層內(nèi)的應(yīng)力有增大的趨勢，當(dāng)模量由200 MPa增至1 200 MPa時，應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力分別增長了18.1%、10.8%、6.7%、4.2%和2.1%。從應(yīng)力角度可知，隨著模量的增加，應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力呈增大趨勢，這對應(yīng)力吸收層自身材料受力產(chǎn)生不利影響，但是隨著模量的增大，應(yīng)力增幅減緩。隨著應(yīng)力吸收層模量的增大，瀝青面層層底應(yīng)力減小，但當(dāng)模量增至800MPa時，面層層底應(yīng)力逐漸呈現(xiàn)增大趨勢。雖然當(dāng)應(yīng)力吸收層模量較低時，對其本身受力有利，但低模量一方面會增大路面變形，降低路面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；另一方面模量低意味著瀝青用量的增大，在施工時不利于碾壓，增大施工難度。因此，建議應(yīng)力吸收層材料模量應(yīng)為600～800 MPa。

圖1應(yīng)力吸收層模量與層底應(yīng)力的關(guān)系

Fig.1 Relationship between modulus of stress

absorbing layer and stress of the bottom

2.3不同軸載下應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力分析

根據(jù)表3和表4可知，在裂縫對應(yīng)處應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，在不同軸載作用下，層底荷載應(yīng)力隨著軸載的增加呈增長趨勢，當(dāng)軸載從標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN增至重載220kN時，層底荷載應(yīng)力增加了約32.6%，由此可以看出道路受重載、超載的影響十分明顯，除選用具有優(yōu)良彈性變形能力以及抗疲勞能力的混合料作為應(yīng)力吸收層材料外，還應(yīng)嚴(yán)格限制重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生，從而防止道路過早產(chǎn)生破壞。

3不同軸載下道路使用壽命分析

針對高速公路重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生，選取某公路進(jìn)行軸載調(diào)查，結(jié)果如圖2所示。

圖2軸載分布圖

Fig.2 Axle load distribution由圖2可知，100kN以下軸數(shù)比重較小，這部分軸載對道路產(chǎn)生的破壞不明顯，該公路軸載主要分布在120～160kN，達(dá)到總軸數(shù)的51.3%，引起路面破壞的主要軸載集中于此。另外，還有2.1%的軸載超過220kN，這類軸載的出現(xiàn)有可能對路面產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞[13]。

根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定：

N=∑Ki=1C1C2ni（PiP）β。（2）

由公式（2）得，標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次為22 506次/日。

該公路設(shè)計累計標(biāo)準(zhǔn)軸次為1.107×107次，設(shè)計年限15 a，年增長率為6.2%，車道系數(shù)為0.5，則根據(jù)累計標(biāo)準(zhǔn)軸次式得：

Ne=[（1+γ）t-1]×365γN1γ。（3）

若按設(shè)計累計標(biāo)準(zhǔn)軸次計算，則該公路到達(dá)該累計標(biāo)準(zhǔn)軸次的時間為2.53 a，這與設(shè)計年限相差很大，由此可見重載和超載對道路使用壽命的影響是十分巨大的。

3結(jié)論

（1）在含裂縫的半剛性基層上設(shè)置應(yīng)力吸收層的瀝青路面結(jié)構(gòu)，可有效緩解應(yīng)力集中，減緩面層產(chǎn)生破壞。應(yīng)力吸收層所受應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在裂縫對應(yīng)處應(yīng)力吸收層層底應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)力吸收層材料應(yīng)選用具有良好彈性變形能力的混合料，并重點(diǎn)檢驗其抗剪性和抗拉性，從而有效抑制反射裂縫的形成。

（2）隨著應(yīng)力吸收層材料模量的提高，層底應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減緩，建議其模量選取在600～800 MPa。

（3）隨著軸載的增大，層底應(yīng)力增長顯著。重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生，會減短道路的使用壽命，應(yīng)嚴(yán)格限制重載和超載現(xiàn)象的發(fā)生。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫雅珍，翟曉星，李寧.瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展機(jī)理與防裂效果的分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，28（6）：1023-1029.

[2]譚憶秋，石昆磊，王佳妮.瀝青性質(zhì)對應(yīng)力吸收層瀝青混合料性能影響的研究[J].公路交通科技，2009，26（2）：13-17.

[3]譚憶秋，石昆磊，朱峰.級配對應(yīng)力吸收層瀝青混合料性能的影響[J]，長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，29（2）：33-36.

[4]王鵬，李昆，黃衛(wèi)東.基于有限元方法的應(yīng)力吸收層延緩反射裂縫分析[J].公路工程，2011，36（3）：54-60.

[5]張碧琴，馬亞坤.重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)驗算方法[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，34（1）：1-6.

[6]廖衛(wèi)東，陳拴發(fā).改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層材料特性與結(jié)構(gòu)行為[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[7]李強(qiáng)，倪富健，王文達(dá)，等.瀝青路面裂縫修補(bǔ)材料技術(shù)性能對比研究[J].公路工程，2013，38（6）：33-37.

[8]單景松，杜貝貝.瀝青路面溫度場分析及全時域受力特性[J].公路工程，2014，39（1）：73-77.

[9]石昆磊.高粘性瀝青應(yīng)力吸收層防治瀝青路面反射裂縫的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[10]李祖仲.應(yīng)力吸收層瀝青混合料組成設(shè)計及抗裂性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[11]高巖，鄭丹丹，朱坤佳，等.透水性瀝青路面路用性能研究綜述[J].公路工程，2013，38（4）：29-33.

[12]田力瓊.重軸載條件下瀝青路面軸載換算研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[13]葉俊杰.高等級公路車輛軸載特性研究[D].西安：長安大學(xué)，2007.

[14]交通運(yùn)輸部，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范（JTG D50-2006）[S].北京：人民交通出版社，2006.

[責(zé)任編輯：董希斌]