半刚性基层沥青路面结构响应敏感性分析

张正伟 雒敏 冯浩

摘要：为研究半刚性基层沥青路面结构响应的敏感性变化规律，采用BESAR 3.0程序建立敏感性正交试验分析模型，揭示不同条件下路面结构响应的内在变化规律及敏感性水平。结果表明：半刚性基层沥青路面的路表弯沉受土基模量影响较大，而面层厚度、底基层模量、基层厚度分别对面层、基层、底基层的底部弯拉应力影响显著。

关 键 词：道路工程；半刚性基层沥青路面；结构响应；敏感性分析

中图分类号：[U41] 文献标识码：A

0、前 言

国外沥青路面多采用柔性基层为主，半刚性基层沥青路面较少使用，法国、日本、南非等国家，半刚性基层作为次级承重结构主要用于轻交通道路的底基层，起改善和加强路基的作用[1]，原因是车辆荷载作用下半刚性基层沥青路面结构易发生早期损害，影响道路的路用性能及使用寿命。近年来，基于“强基薄面”的结构设计理念，半刚性基层沥青路面作为我国高等级公路的主要形式，路面结构设计以路表弯沉值作为主要控制指标，以沥青面层及半刚性基层、底基层底部弯拉应力作为验算指标[2]。而国外主要考虑沥青路面的开裂及永久变形，路面结构设计多选用沥青底部拉应变、沥青面层永久变形及路基顶面竖向压应变作为设计指标，很少采用路表弯沉作为主要设计指标[3]。

伴随我国交通建设事业的迅速发展，道路交通量、车辆荷载持续增长，半刚性基层沥青路面损害日益严重，一旦路面结构发生损害，表明其承载力已不能适应道路交通的要求，必须进行大规模甚至“开膛破肚式”的维修[4]。此外，半刚性材料对荷载疲劳具有敏感性[5]，路面结构损坏时半刚性基层再生性差、维修量大，在各国的高速公路、重载交通中的使用受到限制。据调查，国内高等级沥青路面设计年限15~20年，而许多道路实际服务年限5~8年，由于结构损害导致路面使用寿命降低，造成很大的经济损失和不良社会影响。因此，有必要在半刚性基层路面结构设计及施工之前对影响路面结构响应的结构及材料参数进行敏感性分析，揭示各因素水平条件下路面结构响应的内在变化规律，为半刚性基层沥青路面的结构设置提供合理的参考。

2、半刚性基层沥青路面结构响应敏感性分析

半刚性基层沥青路面结构敏感性正交试验分析模型，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状体系进行计算，路面荷载及计算点如图1所示，标准双轮单轴荷载为100 kN。

图1 路面荷载及计算点示意图

2.1 半刚性基层沥青路面结构响应敏感性分析正交试验设计

考虑到半刚性基层沥青路面结构设计及材料参数（面层、基层、底基层、土基的厚度及弹性模量）对结构响应的影响，运用BISAR3.0程序对于上述各因素水平进行L18[37]正交试验设计，基于正交试验设计“均衡分散、整齐可比”的特性，通过对正交试验结果进行极差分析，探讨各因素的主次顺序，研究各结构、材料因素对路面结构响应的敏感性水平[6]。半刚性基层沥青路面结构响应敏感性分析正交试验设计如表1所示，其结构响应计算结果如表2所示。

半刚性基层沥青路面结构响应正交试验设计表1

半刚性基层沥青路面结构响应正交试验结果表2

注：表中“—”表示压应力。

2.2 半刚性基层沥青路面路表弯沉敏感性分析

路表弯沉表征路面结构的整体刚度，作为我国高等级路面结构设计的第一控制指标，是衡量路面整体质量的重要标准。我国行业标准中，路面结构设计采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状体系理论进行计算路表轮隙中心处的弯沉值，采用点路表轮隙中心处（计算点A）的弯沉值进行极差分析，路面弯沉正交因素水平极差分析结果，如图2所示。极差分析中，ki表示某一因素的水平值为i时的该考核指标的平均值；Ri为极差，表示某一因素的水平值i时的该考核指标平均值的最大值与最小值之差，极差越大，该因素对考核指标的影响越大。

图2 路面弯沉正交因素水平极差分析

路面结构及材料因素对路表弯沉的影响程度各不相同，由路表弯沉正交因素水平极差分析可知：

1）根据极差Ri分析，路面结构及材料参数对半刚性基层沥青路面路表弯沉影响的敏感性水平：土基模量>基层厚度>底基层厚度>底基层模量>面层厚度>面层模量>基层模量。

2）土基模量对半刚性基层沥青路面的路表弯沉影响最大，根据（k1，k2，k3）分析表明：路表弯沉随土基模量的增大（30Mpa ~70Mpa）近似线性减小。实际施工过程中，有必要对土基进行加固，避免软弱土基的出现。

3）基层及底基层厚度对半刚性基层沥青路面的路表弯沉影响显著，根据（k1，k2，k3）分析表明：路表弯沉随半刚性基层厚度的增大（20cm~40cm）近似线性减小；底基层厚度在12cm~25cm范围内，路表弯沉随底基层厚度增加有很大程度的降低，而底基层厚度在25cm~35cm范围内其值随底基层厚度的增大几乎不变。

2.3沥青面层底部拉应力敏感性分析

路面结构在交通荷载的作用下，当结构层沿水平方向的弯拉应力超过材料的极限抗拉强度时，会在车轮下方产生初始微小裂缝，随荷载反复作用，最终导致路面结构各种裂缝的产生，半刚性基层沥青路面开裂破坏直观表现为沥青面层的疲劳开裂，采用点B处弯拉应力进行极差分析，沥青面层底部拉应力正交因素水平极差分析结果，如图3所示。

图3 沥青面层底部拉应力正交因素水平极差分析

路面结构及材料因素对沥青面层底部弯拉应力的影响程度各不相同，由沥青面层底部拉应力正交因素水平极差分析可知：

1）根据极差Ri分析，路面结构及材料参数对沥青面层底部弯拉应力影响的敏感性水平：面层模量>面层厚度>基层模量>土基模量>底基层厚度>基层厚度>底基层模量。

2）面层厚度及模量对沥青面层底部弯拉应力影响显著，根据（k1，k2，k3）分析表明：沥青面层底部弯拉应力水平随面层厚度（12cm~16cm）及面层模量（1200Mpa~1600Mpa）的呈线性降低。

3）基层模量对沥青面层底部弯拉应力影响较大，根据（k1，k2，k3）分析表明：沥青面层底部弯拉应力水平随基层模量（1300Mpa~1700Mpa）的增加呈线性增长。

2.4半刚性基层底部拉应力敏感性分析

半刚性基层作为路面的主要承重结构，具有强的高、整体性强、水稳定性好等优点，其结构设计对路面结构的使用功能及寿命至关重要[7]。采用点A处弯拉应力进行极差分析，半刚性基层底部拉应力正交因素水平极差分析结果，如图4所示。

图4 半刚性基层底部拉应力正交因素水平极差分析

路面结构及材料因素对半刚性基层底部弯拉应力的影响程度各不相同，由半刚性基层底部拉应力正交因素水平极差分析可知：

1）根据极差Ri分析，路面结构及材料参数对半刚性基层底部弯拉应力影响的敏感性大小：底基层模量>底基层厚度>基层厚度>基层模量>土基模量>面层厚度>面层模量。

2）底基层模量及厚度对半刚性基层底部弯拉应力的影响显著，根据（k1，k2，k3）分析表明：半刚性基层底部弯拉应力水平随底基层模量（600Mpa ~1000Mpa）及厚度（15cm~35cm）的增大近似线性减小。

3）基层厚度对半刚性基层底部弯拉应力的影响较大，根据（k1，k2，k3）分析表明：半刚性基层底部弯拉应力随基层厚度的增大（20cm~40cm）呈似线性降低趋势。

2.5底基层底部拉应力敏感性分析

底基层作为路面结构的次要承重层，主要起辅助承重及传递荷载的作用。采用点A处弯拉应力进行极差分析，底基层底部拉应力正交因素水平极差分析结果，如图5所示。

图5 底基层底部拉应力正交因素水平极差分析

路面结构及材料因素对底基层底部拉应力的影响各不相同，由底基层正交因素水平极差分析可知：

1）根据极差Ri分析，路面结构及材料参数对底基层底部弯拉应力影响的敏感性水平：基层厚度>底基层厚度>土基模量>底基层模量>面层模量>面层厚度>基层模量。

2）基层厚度对底基层底部弯拉应力影响最大，根据（k1，k2，k3）分析表明：底基层底部弯拉应力水平随基层厚度的增加（20cm~40cm）近似线性降低。

3）底基层厚度对底基层底部弯拉应力影响显著，根据（k1，k2，k3）分析表明：底基层底部弯拉应力水平随厚度的增加（15cm~35cm）近似线性降低。

4）土基模量对底基层底部弯拉应力影响较大，根据（k1，k2，k3）分析表明：土基模量在30Mpa~50Mpa范围内，底基层底部弯拉应力随土基模量增加有较大程度的降低，而土基模量在50Mpa~70Mpa范围内其值随底基层厚度的增加降低趋势变缓。

3、主要结论

1）我国半刚性基层沥青路面的结构设计以路面弯沉作为主要控制指标，通过对影响路表弯沉的结构及材料参数进行敏感性分析，土基模量对半刚性基层沥青路面的路表弯沉影响最大，一定范围内其值随土基模量的增大而近似线性减小，实际施工中要针对土基采取适当加固措施，避免软弱土基的出现。

2）半刚性基层沥青路面结构响应敏感性分析中，沥青面层底部弯拉应变水平随面层厚度及其弹性模量的增加近似线性降低，而随基层模量的增加呈线性增长趋势。因此，在路面结构设计时要求沥青层及半刚性基层具有合理的厚度，沥青层不能太薄，半刚性基层的设置并不是越厚越好。

3）半刚性基层沥青路面结构响应敏感性分析中，基层底部弯拉应变水平随底基层模量、厚度及基层厚度的增大而减小；而底基层底部弯拉应变随基层及底基层的厚度增加而降低。因此，在路面结构设计时，基层及底基层要有合理的厚度，太薄会造成基层及底基层结构开裂，伴随拉应力由开裂位置向沥青面层的传递，造成沥青路面相应位置应力集中，最终导致反射裂缝的形成。

参考文献

[1]武金婷. 半刚性基层合理层位与合理厚度研究 [D].西安：长安大学，2009.

[2]公路沥青路面设计规范[S]. JTG D50-2006. 人民交通出版社，2006

[3]刘福明. 长寿命沥青路面损伤行为及其结构寿命合理匹配研究 [D].广东：华南理工大学，2010. LIU

[4]王宏畅.半刚性基层沥青路面两阶段设计方法研究[D].南京：东南大学，2005

[5]沙爱民.半刚性基层的材料特性[J]. 中国公路学报，2009.（1）：1~5

[6]高允彦.正交及回归试验设计方法[M].北京:冶金工业出版社，1988: 17-35

[7]熊向辉.高速公路沥青路面半刚性基层研究[D].西安：长安大学，2007