我國(guó)當(dāng)前的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是建立在彈性層狀體系理論上的,依據(jù)車輛荷載反復(fù)作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)層材料疲勞破壞決定使用年限的耐久性設(shè)計(jì)方法，主要包括路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)與路面結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算，路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)主要是選取結(jié)構(gòu)層材料及所在層位的組合形式；路面結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算是采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論。結(jié)構(gòu)層模量和厚度是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，二者的變化對(duì)于瀝青路面的使用性能有很大的影響，是造成瀝青路面損壞的內(nèi)在因素。因而要對(duì)路面結(jié)構(gòu)厚度和模量變化時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。
1.結(jié)構(gòu)層模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響
1.1面層模量
根據(jù)近幾年來(lái)許多研究者進(jìn)行的大量計(jì)算成果，分析得出，隨面層模量值的增加面層層底受到的壓應(yīng)力減小，逐漸向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化；當(dāng)面層材料的面層模量值超過(guò)1600MPa(20℃)時(shí)，對(duì)減輕路表車轍的作用并不明顯，反而路面耐疲勞性能大大降低；基層層底拉應(yīng)力隨著面層模量值的提高而逐漸降低。最大剪應(yīng)力峰值隨著面層模量的增加而減少(最高減幅達(dá)36.0%),而最大彎沉值隨著面層模量的增加而同樣呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，路表彎沉逐漸降低，但降低的速率較為緩慢，總體上來(lái)說(shuō)面層模量對(duì)路表彎沉的影響不是很大。溫度升高,瀝青混凝土的抗壓回彈模量減小,分析顯示,當(dāng)面層模量減少時(shí),所承受的最大剪應(yīng)力峰值是增加的,這說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)的抗剪能力在夏天最為不利。面層材料抗壓回彈模量值在20℃和l5℃時(shí)的模量差值愈大，面層層底拉應(yīng)力愈大。l5℃時(shí)面層材料抗壓回彈模量值愈大，上層層底拉應(yīng)力愈大。
因此，在滿足承載能力要求的情況下，應(yīng)盡量使面層模量降低，從而延緩裂縫發(fā)展；同時(shí)應(yīng)降低面層、基層的溫縮系數(shù)，以減小溫縮應(yīng)力。以往路面疲勞壽命設(shè)計(jì)只注重行車荷載對(duì)其壽命的影響而忽略溫度疲勞作用是不符合實(shí)際的，這往往會(huì)導(dǎo)致路面計(jì)算疲勞壽命偏高，因此有必要運(yùn)用斷裂力學(xué)的有關(guān)理論對(duì)路面在溫度和荷載共同作用的情況下疲勞壽命進(jìn)行驗(yàn)算.
1.2基層模量
隨著交通量的快速增長(zhǎng)需要采用強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好的基層。采用半剛性基層可以有效減小瀝青面層底面形成拉應(yīng)力的可能性，并可以大大減小路基頂面壓應(yīng)力的大小，保護(hù)路基的穩(wěn)定,但基層強(qiáng)度和模量的大大增加也帶來(lái)了一些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)已建成通車的高速公路的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使路面材料完全按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，仍然會(huì)出現(xiàn)一些早期破壞。
用彈性層狀理論體系和有限元方法分析均可得出：基層模量的增大可以減小路表彎沉，從而降低路面的總厚度，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性車轍。但隨著模量的增加，彎沉減小的速度明顯減小；基層模量的增大，可以有效減小面層底面的拉應(yīng)力,瀝青混凝土層底彎拉應(yīng)變迅速下降，基頂壓應(yīng)變還會(huì)變小，面層和基層內(nèi)的壓應(yīng)力增大，但變化幅值不是很大。
采用高模量的半剛性基層材料,可以獲得較低的彎沉值,從而有利于順利通過(guò)竣工驗(yàn)收。這可能是當(dāng)前我國(guó)半剛性基層高級(jí)瀝青路面竣工時(shí)驗(yàn)收合格,卻仍然容易出現(xiàn)早期損壞的原因之一。在底基層模量較低的情況下,基層模量的增大會(huì)增加基層底面的拉應(yīng)力,且縱向拉應(yīng)力會(huì)比水平拉應(yīng)力大。
然而過(guò)大的基層模量會(huì)導(dǎo)致面層內(nèi)過(guò)大的壓應(yīng)力,會(huì)使瀝青混凝土產(chǎn)生壓密變形,會(huì)導(dǎo)致車轍,同時(shí)會(huì)使基層底面出現(xiàn)拉應(yīng)力。并且，基層模量的增大，面層中的剪應(yīng)力也會(huì)增大，使路面產(chǎn)生剪切破壞的概率增大。研究表明高模量半剛性基層引起的瀝青表面層最大剪應(yīng)力值明顯高于規(guī)范所推薦模量值的半剛性基層引起的最大剪應(yīng)力值。
基層模量在1O00MPa～3000MPa范圍內(nèi)，對(duì)路面彎沉、基層層底彎拉應(yīng)力和底基層層底彎拉應(yīng)力等三個(gè)考核指標(biāo)的影響不大，因此在進(jìn)行半剛性材料的組成設(shè)計(jì)中，應(yīng)該重視半剛性材料的變形和穩(wěn)定性方面的性能，不必以高模量來(lái)指導(dǎo)材料的組成設(shè)計(jì)，綜合考慮基層的模量應(yīng)該保持在一個(gè)適中的范圍，以0.8～1.2GPa為宜。
另外，有計(jì)算結(jié)果表明,增加基層剛度可減小路面車轍破壞,但可能加速裂縫的產(chǎn)生，增加基層厚度雖可減小路表彎沉，但對(duì)抗車轍能力的提高則不太明顯。所以在路面設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)這兩個(gè)因素，加以認(rèn)真的研究,以獲得合理的設(shè)計(jì)方案。
1.3底基層模量
底基層模量對(duì)路面彎沉的影響較大，底基層模量的增大會(huì)有效減小路表彎沉和基層底面拉應(yīng)力，且底基層模量對(duì)土基頂面壓應(yīng)變比較敏感。底基層的模量增加時(shí)，面層底面溫度最大拉應(yīng)力減小，但幅度很有限(小于1%),最大荷載拉應(yīng)力減小。由此可知采用回彈模量高的底基層材料對(duì)提高路面荷載疲勞壽命有一定的好處。
隨著底基層彈性模量的增大，瀝青面層層底應(yīng)力會(huì)明顯地減小。因此底基層彈性模量的增大，對(duì)防治因車輛荷載引起的剪切型反射裂縫有一定的好處。由于半剛性路面的底基層也采用了半剛性材料，減小了基層底面的拉應(yīng)力，使得底基層底面的拉應(yīng)力略大于基層底面的拉應(yīng)力，增大了路面的整體承載能力。
1.4土基模量
土基模量對(duì)路面表面彎沉的影響最大，土基模量的增大能有效減小路面結(jié)構(gòu)的整體彎沉，但彎沉降低的速率隨著土基回彈模量值的增加而逐漸降低，其次是對(duì)底基層底部拉應(yīng)力的影響，對(duì)基層底部拉應(yīng)力的作用不大。隨著土基回彈模量值的逐漸提高，面層層底壓應(yīng)力逐漸降低并逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力；隨土基值的提高基層層底承受的拉應(yīng)力逐漸減小。在實(shí)際工程中，應(yīng)該重視對(duì)土基狀況的改善，以獲得路面性能的較大改善，在考慮到土基處理經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，土基模量宜取50MPa～100MPa之間。
2.結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響
2.1面層厚度
面層越厚，輪隙彎沉隨著面層的增加而減少的越多。面層厚度為4～8cm時(shí)，面層越厚，底基層底面的彎拉應(yīng)力隨著面層模量的增加越小，但彎拉應(yīng)力的變化差越大。隨著面層厚度的增加，面層層底由受壓狀態(tài)逐漸向受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)化，而底基層層底拉應(yīng)力逐漸降低。上面層厚度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力峰值的影響相對(duì)基層來(lái)說(shuō)要顯著些，但也并不十分突出。
隨著面層厚度的增加，車轍量逐漸降低，可見(jiàn)增厚瀝青層有利于改善車轍變形。有研究認(rèn)為路基為砂土材料時(shí)，面層厚度對(duì)車轍影響很大，面層較薄時(shí)車轍較深，而且主要是由路基的變形引起的；面層較厚時(shí)，路基變形很小或者基本不產(chǎn)生車轍。當(dāng)路基為剛性，半剛性等強(qiáng)度剛度較大的材料時(shí)，宜采用薄瀝青面層，面層越厚車轍越深，面層越薄車轍越淺；而當(dāng)路基和基層材料強(qiáng)度剛度較弱時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加面層厚度，以減輕車轍深度，也有助于抑制基層裂縫的擴(kuò)展。
2.2基層厚度
基層厚度的變化對(duì)彎沉的影響要比面層厚度變化對(duì)其的影響要顯著，有研究表明，基層厚度改變對(duì)其影響均超過(guò)10%，而面層厚度改變對(duì)其影響的最大值也僅4.66%。隨著基層厚度的增加，瀝青路面的彎沉值逐漸變小，但是當(dāng)基層厚度達(dá)到一定的值時(shí),彎沉值的變化較小。
基層厚度變化對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層最大彎拉應(yīng)力、面層層底應(yīng)力有較為明顯的影響。隨著基層厚度逐漸增加,瀝青路面面層底部的拉應(yīng)力逐漸減小，因此基層厚度的增加對(duì)面層的彎拉應(yīng)力有利。增加基層厚度可以減輕基層的開裂程度。從分析結(jié)果看來(lái)，半剛性基層對(duì)厚度的敏感性很大，增加其厚度能夠有效地增加其疲勞壽命，因此，對(duì)于半剛性基層路面的設(shè)計(jì)，應(yīng)采用較厚的設(shè)計(jì)方案。
半剛性基層的厚度達(dá)到0.50m左右(路面結(jié)構(gòu)總厚度達(dá)到0.88m左右),高速公路半剛性基層瀝青混凝土路面才有可能具有較長(zhǎng)的使用壽命。粗粒式瀝青混凝土上基層的厚度達(dá)到0.30m左右(路面結(jié)構(gòu)總厚度達(dá)到0.80m左右),高速公路粗粒式瀝青混凝土上基層與半剛性下基層復(fù)合瀝青混凝土路面才有可能具有較長(zhǎng)的使用壽命。
在一定的范圍內(nèi)基層厚度的變化，不管是半剛性基層還是柔性基層，也無(wú)論荷載分布形式如何，對(duì)路面最大剪應(yīng)力的影響并不明顯。盡管基層厚度對(duì)最大剪應(yīng)力的影響不太明顯，但仍有一定的變化規(guī)律，即隨著基層層厚的增加，路面所承受的最大剪應(yīng)力峰值呈微弱增大的趨勢(shì)，且其位置均處于上面層。
2.3底基層厚度
底基層厚度的變化對(duì)瀝青路面彎沉值和面層層底應(yīng)力的影響均非常顯著。隨著底基層厚度的增加,瀝青路面的彎沉值和面層層底應(yīng)力都有很大程度的減小。適當(dāng)增加底基層的厚度,可以提高路面的強(qiáng)度和它的使用壽命，有助于降低基層裂縫的擴(kuò)展。
2.4厚度組合
不同厚度的瀝青層和基層組合,影響表面層局部剪切破壞的最大剪應(yīng)力值和瀝青層底疲勞開裂的最大彎拉應(yīng)變值有較大的變化。半剛性基層瀝青路面,由于基層具有很高的強(qiáng)度,能滿足汽車的行駛而不破壞,瀝青面層不起強(qiáng)度作用只起功能作用。因此,瀝青面層厚度可適當(dāng)減薄,對(duì)全國(guó)大多數(shù)地區(qū)(中冰凍區(qū)～非冰凍區(qū))來(lái)講,高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面之瀝青面層的合理厚度為12～6cm。
厚瀝青面層路面受力時(shí)，面層的最大剪應(yīng)力減小，這有利于表面層抗剪切破壞能力的提高，面層的層底彎拉應(yīng)變減少，這對(duì)于防止瀝青層底疲勞開裂是有利的，即厚瀝青層有利于路面結(jié)構(gòu)抵抗整體破壞能力的提高，整體抗變形能力指標(biāo)——彎沉和路基抗變形能力指標(biāo)——基頂壓應(yīng)變變化很小。
3.結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層的各層模量和厚度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部剪應(yīng)力、彎拉應(yīng)力應(yīng)變、層底拉應(yīng)力和彎沉產(chǎn)生的影響的分析可知，在瀝青路面設(shè)計(jì)中，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)達(dá)到路面早期損壞的減少、提高路面壽命和道路良好的使用性能有積極的作用。由以上分析亦可知，適當(dāng)增加各結(jié)構(gòu)層的厚度可以提高路面的結(jié)構(gòu)性能。
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