面层厚度对半刚性基层沥青路面受力特性及使用寿命的影响

薛磊

摘 要：厚度计算是半刚性基层沥青路面设计的首要任务，面层层厚度会直接影响到半刚性基层沥青路面结构的受力特性及使用寿命。本文应用SHELL设计方法的BISAR3程序，系统分析了面层厚度对半刚性基层沥青路面路受力与变形特性及使用寿命的影响，并分析了其影响规律，有利于在路面设计中合理选定面层厚度。

关键词：沥青路面；面层厚度；使用寿命；受力特性

0 引言

随着国民经济的快速发展，公路运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，且车辆超载现象十分普遍[1]。超载是造成沥青路面破损的最重要原因之一，尤其是在重载货运不断增加的发展中国家，这一问题更加严重。调查表明超载问题引起了大量的路网破坏，花费了大量的养护和维修费用[2]。为了解决这一问题，需要提高路面对繁重交通的承载能力、改善超重车辆的轴载分布，国内外专家学者进行了许多有益的研究[3]，主要措施包括：增加沥青路面的结构层厚度、选择优质路面材料、提高沥青混凝土面层的强度和刚度等。

半刚性基层沥青路面的力学计算结果表明，增加路面面层厚度可以减小结构层内的应力与变形[4]，进而提高沥青路面的使用寿命。但是路面面层厚度的增加会直接提高工程造价，并使重载交通作用下发生高温车辙病害的可能提高。本文应用SHELL设计方法的BISAR3程序，系统分析了面层厚度变化对重载交通半刚性基层沥青路面路的受力特性以及路面结构疲劳寿命的影响，为合理选定半刚性基层沥青路面的面层厚度打下坚实的基础。

1计算参数与路面结构

根据我国现行的沥青路面设计规范[5]。采用BZZ-100的标准轴载作为基础计算模式，根据规范选定荷载计算参数，即：当量圆半径δ为10.65cm，圆中心距等于3倍接地半径，接地压力为0.7MPa。

参照天津市半刚性基层沥青路面的常用典型结构，本文计算中采用的路面结构及参数如表1所示。

2 破坏准则

半刚性基层沥青路面设计与养护管理中，路面结构的破坏形式主要考虑两种，一是路表弯沉值达到设计状态；二是半刚性基层材料或底基层材料产生疲劳开裂而破坏。

半刚性基层沥青路面容许轴载作用次数与路表弯沉值的关系如式（1）。

（1）

式中： ——容许轴载作用次数；

——容许路表弯沉值。

容许轴载作用次数与基层及底基层层底拉应力的关系如式（2）。

对无机结合料稳定集料类： （2）

对无机结合料稳定细粒土类

式中： ——容许轴载作用次数；

——材料的劈裂强度；

——基层或底基层层底拉应力；

c——计算参数，对无机结合料稳定集料类c=0.35，对无机结合料稳定细粒土类c=0.45。

3 面层厚度对半刚性基层沥青路面受力特性及使用寿命的影响

3.1 面层厚度对路表弯沉的影响

按照表1给出的路面结构及参数，在其它参数不变的情况下，通过改变面层厚度来计算不同面层厚度下半刚性基层沥青路面结构的路表弯沉值，以考察面层厚度对路表弯沉的影响。不同面层厚度时半刚性沥青路面的路表弯沉值如表2所示。

可见，在其它指标不变的情况下，路表弯沉随着面层厚度的增大而减小，面层厚度从14cm增加到20cm时，路表弯沉值约降低了10%。面层厚度与路表弯沉两者之间近似为线性相关关系，这是因为在轴载为100kN时，面层材料处于线弹性状态。

3.2 面层厚度对基层层底拉应力的影响

采用同样的方法，计算出不同面层厚度时基层层底拉应力，如表3所示。

随着面层厚度的增加，基层层底拉应力逐渐减小，面层厚度从14cm增加到20cm时，基层层底拉应力约降低了11.3%。

3.3 面层厚度对底基层层底拉应力的影响

采用同样的方法，计算出不同面层厚度时底基层层底拉应力，如表4所示。

随着面层厚度的增加，基层层底拉应力逐渐减小，面层厚度从14cm增加到20cm时，基层层底拉应力约降低了14.6%。

可見，面层厚度对底基层层底拉应力的影响幅度大于路表弯沉值和基层层底拉应力，在路面设计中需要考虑路面结构的合理组合与厚度优化。

3.4 面层厚度对半刚性基层沥青路面使用寿命的影响

根据前面计算得出的不同面层厚度时半刚性基层沥青路面的受力与变形特性，以及本文采用的路面破坏准则，分别计算得出不同面层厚度时的容许轴载作用次数，取其中的最小值为路面结构使用寿命，如表5所示。

从表2～表5的计算结果可知，随着面层厚度的增大，路表弯沉、基层与底基层层底拉应力均会减小，容许轴载作用次数将会增大，即使用寿命增大。但是，相关的研究表明[4]，过大的面层厚度可能引起车辙病害，因此，在半刚性基层沥青路面设计中，面层厚度也不宜过大，一般不应超过25cm。

基于最小方差法对面层厚度与使用寿命关系进行回归分析，得出面层厚度～使用寿命关系函数如式（3）所示。

（3）

式中： ——容许轴载作用次数（使用寿命）；

——面层厚度（cm）。

4 结论

（1）面层厚度对半刚性基层沥青路面的受力、变形特性及使用寿命具有显著的影响。

（2）计算范围内，随着面层厚度的增大，半刚性基层沥青路面的路表弯沉值、基层及底基层层底拉应力均会不同程度的减小。

（3）半刚性基层沥青路面的使用寿命随着面层厚度的增大而提高，两者的相关关系式可由式（3）表示。

（4）本文的研究成果有助于在半刚性基层沥青路面设计中采用合理的面层厚度，做到工程造价与使用寿命的协调统一。

参考文献

[1]孙吉书，杨春风，窦远明，孙建诚.超重车辆作用下柔性路面的破损分析[J].中外公路，2009，29（02）：61—65.

[2]Ji-shu Sun etc. Study on the Rational Thickness of Surface Course on Semi-rigid Base Asphalt Pavement. Geotechnical Special Publication No. 212 ? ASCE 2011： p37—44.

[3]欧阳伟，刘云全，王连广.高模量沥青混合料的试验研究[J].公路，2008，第1期：180—183.

[4]孙吉书，陈朝霞，肖田，靳灿章.轮压与温度对AC-20沥青混凝土抗车辙性能的影响[J].重庆交通大学学报，2012，31（01）：48—50.

[5]JTG D50—2006.公路沥青路面设计规范[S]，人民交通出版社，2007.

[6]天津市市政工程设计研究院.基于力学响应的重载交通沥青路面破损分析与对策研究[R]，2012.