路面结构层模量及厚度的力学性能分析

路面结构层模量及厚度的力学性能分析

      导  言
      我国当前的沥青路面结构设计方法是建立在弹性层状体系理论上的,依据车辆荷载反复作用而发生结构层材料疲劳破坏决定使用年限的耐久性设计方法，主要包括路面结构组合设计与路面结构层厚度计算，路面结构组合设计主要是选取结构层材料及所在层位的组合形式；路面结构层厚度计算是采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论。结构层模量和厚度是沥青路面结构设计中的重要参数，二者的变化对于沥青路面的使用性能有很大的影响，是造成沥青路面损坏的内在因素。因而要对路面结构厚度和模量变化时的结构内部力学响应变化趋势进行分析。
      1. 结构层模量对路面结构的影响
      1.1 面层模量
      根据近几年来许多研究者进行的大量计算成果，分析得出，随面层模量值的增加面层层底受到的压应力减小，逐渐向拉应力转化；当面层材料的面层模量值超过1600MPa(20℃)时，对减轻路表车辙的作用并不明显，反而路面耐疲劳性能大大降低；基层层底拉应力随着面层模量值的提高而逐渐降低。最大剪应力峰值随着面层模量的增加而减少(最高减幅达36.0%),而最大弯沉值随着面层模量的增加而同样呈现减少趋势，路表弯沉逐渐降低，但降低的速率较为缓慢，总体上来说面层模量对路表弯沉的影响不是很大。温度升高,沥青混凝土的抗压回弹模量减小,分析显示,当面层模量减少时,所承受的最大剪应力峰值是增加的,这说明路面结构的抗剪能力在夏天最为不利。面层材料抗压回弹模量值在20℃ 和l5℃ 时的模量差值愈大，面层层底拉应力愈大。l5℃时面层材料抗压回弹模量值愈大，上层层底拉应力愈大。
      因此，在满足承载能力要求的情况下，应尽量使面层模量降低，从而延缓裂缝发展；同时应降低面层、基层的温缩系数，以减小温缩应力。以往路面疲劳寿命设计只注重行车荷载对其寿命的影响而忽略温度疲劳作用是不符合实际的，这往往会导致路面计算疲劳寿命偏高，因此有必要运用断裂力学的有关理论对路面在温度和荷载共同作用的情况下疲劳寿命进行验算.
      1.2 基层模量 
      随着交通量的快速增长需要采用强度大、稳定性好的基层。采用半刚性基层可以有效减小沥青面层底面形成拉应力的可能性，并可以大大减小路基顶面压应力的大小，保护路基的稳定,但基层强度和模量的大大增加也带来了一些问题，通过对已建成通车的高速公路的调查发现，即使路面材料完全按照沥青路面设计规范的要求进行设计，仍然会出现一些早期破坏。
      用弹性层状理论体系和有限元方法分析均可得出：基层模量的增大可以减小路表弯沉，从而降低路面的总厚度，不会产生结构性车辙。但随着模量的增加，弯沉减小的速度明显减小；基层模量的增大，可以有效减小面层底面的拉应力,沥青混凝土层底弯拉应变迅速下降，基顶压应变还会变小，面层和基层内的压应力增大，但变化幅值不是很大。
      采用高模量的半刚性基层材料,可以获得较低的弯沉值,从而有利于顺利通过竣工验收。这可能是当前我国半刚性基层高级沥青路面竣工时验收合格,却仍然容易出现早期损坏的原因之一。在底基层模量较低的情况下, 基层模量的增大会增加基层底面的拉应力, 且纵向拉应力会比水平拉应力大。
      然而过大的基层模量会导致面层内过大的压应力,会使沥青混凝土产生压密变形, 会导致车辙, 同时会使基层底面出现拉应力。并且，基层模量的增大，面层中的剪应力也会增大，使路面产生剪切破坏的概率增大。研究表明高模量半刚性基层引起的沥青表面层最大剪应力值明显高于规范所推荐模量值的半刚性基层引起的最大剪应力值。
      基层模量在1 O00MPa～3 000MPa范围内，对路面弯沉、基层层底弯拉应力和底基层层底弯拉应力等三个考核指标的影响不大，因此在进行半刚性材料的组成设计中，应该重视半刚性材料的变形和稳定性方面的性能，不必以高模量来指导材料的组成设计，综合考虑基层的模量应该保持在一个适中的范围，以0.8～1.2 GPa为宜。
      另外，有计算结果表明, 增加基层刚度可减小路面车辙破坏,但可能加速裂缝的产生，增加基层厚度虽可减小路表弯沉，但对抗车辙能力的提高则不太明显。所以在路面设计中，应当对这两个因素，加以认真的研究,以获得合理的设计方案。
      1.3 底基层模量
      底基层模量对路面弯沉的影响较大，底基层模量的增大会有效减小路表弯沉和基层底面拉应力，且底基层模量对土基顶面压应变比较敏感。底基层的模量增加时，面层底面温度最大拉应力减小，但幅度很有限(小于1 %),最大荷载拉应力减小。由此可知采用回弹模量高的底基层材料对提高路面荷载疲劳寿命有一定的好处。
      随着底基层弹性模量的增大，沥青面层层底应力会明显地减小。因此底基层弹性模量的增大，对防治因车辆荷载引起的剪切型反射裂缝有一定的好处。由于半刚性路面的底基层也采用了半刚性材料，减小了基层底面的拉应力，使得底基层底面的拉应力略大于基层底面的拉应力，增大了路面的整体承载能力。
      1.4 土基模量
      土基模量对路面表面弯沉的影响最大，土基模量的增大能有效减小路面结构的整体弯沉，但弯沉降低的速率随着土基回弹模量值的增加而逐渐降低，其次是对底基层底部拉应力的影响，对基层底部拉应力的作用不大。随着土基回弹模量值的逐渐提高，面层层底压应力逐渐降低并逐渐转化为拉应力；随土基值的提高基层层底承受的拉应力逐渐减小。在实际工程中，应该重视对土基状况的改善，以获得路面性能的较大改善，在考虑到土基处理经济合理的基础上，土基模量宜取50MPa～100MPa之间。