沥青面层层间剪应力的影响因素分析

刘红平

改革开放以来,随着经济的快速增长,交通状况有了明显改善,沥青路面由于具有良好的行车舒适性、建设速度快、维修方便等特点得到广泛应用。但由于交通量的大幅度增加,许多沥青路面出现滑移、壅包等病害,这些病害使沥青路面的使用性能迅速下降,大大降低了公路的社会效益和经济效益。滑移会直接导致路面出现开裂、变形,而壅包则直接影响了路面的平整度。

由于现阶段道路上行驶车辆多轴数、重轴载、高轮压的新特点,使道路路面材料受力状况较以往发生了明显变化,变得更加复杂,传统路面结构力学分析所采用的均布轮胎荷载计算模式已经不太适应,复杂的接触压力导致了面层与面层间的剪应力大幅度增加,研究道路层间的剪应力情况,找到合适的层间表面处理方法,指导道路施工,对保证路面质量,合理利用工程资源,延长路面使用寿命都具有重要意义。

1 沥青路面力学基本理论与假设

本文采用BISAR程序进行路面结构应力分析,BISAR程序是以多层弹性层状体系理论为基础,弹性层状体系是由若干个弹性层组成,上面各层具有一定的厚度,最下一层为弹性半空间。应用弹性力学方法求解弹性层状体系的应力、应变和位移等分量时,引入如下假设:1)各层是连续的、完全弹性的、均质的、各向同性的,以及位移和变形是微小的;2)最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大,其上各层厚度为有限、水平方向无限大;3)各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处,其应力、变形和位移为零;4)层间接触条件,应力和位移连续(称连续体系),或者层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力(称滑动体系),以及介于二者之间的半连续半滑动体系;5)不计自重。

2 路面层间剪应力设计指标

沥青路面基面层间剪应力设计标准取决于两个因素[1]:

1)在车辆荷载作用下,面层间产生的最大剪应力τmax;2)由层间状态所决定的容许剪应力τR。即在垂直荷载和水平荷载共同作用下,面层间可能产生的最大剪应力τmax应不大于面层间的容许剪应力 τR,即 τmax≤τR。

面层间最大剪应力τmax可由有限元程序计算确定,其中作用于路面表面的水平荷载与车辆的行驶状态有关,一般用车轮垂直荷载乘以车轮与路面之间的摩擦系数表示,即:Ph=fPν。

其中,Ph为由车辆行驶状态所决定的水平荷载;Pν为车辆垂直荷载,一般用轮载来表示;f为车轮与路面之间的摩擦系数,也称水平力系数。摩擦系数 f值与车辆行驶状态有关。参考各国的研究成果,车辆行驶状态可

分为正常行驶、缓慢制动和紧急制动3种状态,各种状态的摩擦系数 f值如下:正常行驶0.1;缓慢制动0.2;紧急制动0.5。

上下面层间容许剪应力τR由面层间抗剪强度τf除以抗剪结构强度系数KT确定,即:

其中,τf为一次荷载作用下上下面层间抗剪强度;KT为抗剪结构强度系数。抗剪结构强度系数KT也与车辆行驶状态有关。

紧急制动时(f=0.5),不考虑车辆荷载重复作用(不考虑疲劳作用)

其中,Ne为设计年限内一个车道上累计当量轴次,计算累计当量轴次时,采用弯沉等效轴载换算公式进行换算;Ac为公路等级系数,高速公路和一级公路 Ac=1.0,二级公路 Ac=1.1,三级公路和四级公路Ac=1.2。

3 层间剪应力的影响因素分析

本文运用BISAR软件计算选取的路面结构按某公路的实体工程选取,如表1所示。

表1 路面结构层设计参数

1)荷载对剪应力的影响。保持面层和基层材料参数不变,改变垂直荷载的大小,分别计算完全连续和完全光滑时层间最大剪应力的分布规律,如表2所示。

从表2中可以看出:两种状态下层间最大剪应力都随着荷载的增大而逐渐增加,在同一级别的荷载作用下,完全光滑时比完全连续时的最大剪应力要大,且随着荷载的增大,增大的幅度比完全连续状态下的增幅要大。

表2 荷载对层间剪应力的影响

2)面层厚度对剪应力的影响。改变面层厚度,假设两层面层为同种材料,基层材料不变,改变面层模量,分别计算完全连续和完全光滑状态下层间最大剪应力,剪应力的分布规律如表3所示。

表3 面层厚度对层间剪应力的影响

由表3可以看出,两种状态下的剪应力都随着面层厚度的增加而减小。同一厚度下,完全光滑时的层间剪应力比完全连续时要大,在条件容许情况下适当增加面层厚度能降低层间剪应力。

4 结语

1)层间剪应力随着荷载的增大而逐渐增大,在同一级别的荷载作用下,完全光滑状态时比完全连续状态时的最大剪应力要更大,并且随着荷载的增大,增大幅度比完全连续状态下的增幅要大。

2)层间剪应力都随着面层厚度的增加而减小。同一厚度下,完全光滑时的层间剪应力比完全连续时要大,在条件容许情况下适当增加面层厚度能降低层间剪应力,保证路面的质量。

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