设级配碎石过渡层沥青路面的非线性力学响应分析

发布时间: 2022-10-29 08:20:04 来源：网友投稿

【摘要】为了明确设级配碎石过渡层沥青路面的结构层位功能，对其进行了非线性力学响应分析，结果表明：面层厚度增大，基层层底拉应力和过渡层剪应力减小；过渡层厚度增大，面层剪应力、层底拉应力和过渡层剪应力略有增大，但基层层底拉应力明显减小；基层厚度增加，面层剪应力、层底拉应力和过渡层剪应力增加，基层层底拉应力明显减小。

【Abstract】In order to determine the structural functions of asphalt pavement with transition layer, the analysis on nonlinear mechanical response was carried out. The results indicate that when the surface course turns thick-er, both of the bottom tensile stress of base course and shear stress of transition layer will decrease; when the transition layer turns thicker, the shear stress and bottom tensile stress of surface course and shear stress of transition layer will increase, but the bottom tensile stress of base course will drop remarkably; when the base course turns thicker, the shear stress and bottom tensile stress of surface course and shear stress of transition layer will increase, but the bottom tensile stress will drop dramatically.

【关键词】道路工程；沥青路面；非线性；力学响应

【Key words】 road engineering; asphalt pavement; nonlinear; mechanical response

中图分类号：U415.2 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)05-0047-04

0 引言

半刚性材料的干缩、温缩易使基层开裂，并由此形成沥青面层的反射裂缝，削弱路面结构强度［1-2］。半刚性基层沥青路面结构排水条件差，采用具有一定厚度和严格级配的级配碎石层作为过渡层，构造倒装结构组合基层沥青路面，可在很大程度上弥补半刚性基层的上述缺陷。但级配碎石的模量低，将其作为过渡层会改变原沥青路面结构的应力状况［3-4］。目前，大量研究主要集中在级配碎石材料的力学特性和稳定性、级配组成设计方法及试验路观测等方面，而涉及设级配碎石过渡层沥青路面非线性力学响应的研究相对较少。鉴于此，本文就沥青面层厚度、级配碎石过渡层厚度和模量、半刚性基层厚度四个路面结构参数对设级配碎石过渡层沥青路面进行非线性力学响应分析，旨在明确设级配碎石过渡层沥青路面结构层位功能，为结构与材料的优化设计奠定理论基础。

1 基本理论

级配碎石基层沥青路面的力学模型符合层状体系理论［５］：假定各层都是由均质、各向同性的弹性材料组成；土基在水平方向和向下的深度方向均为无限，其上的各层厚度均为有限，但水平方向为无限；上层表面分布着轴对称圆形均布垂直荷载；层间接触面假定为完全连续。考虑到级配碎石为非线性材料，材料模量随着应力而变化，即碎石层各点的模量随着结构深度的不同而变化，本文采用非线性路面力学分析软件KENPAVE进行分析［6］。为了描述级配碎石层的非线性特征，首先假设其弹性模量，并用层状理论求得应力，根据非线性模型确定新的模量值，并计算一组新的应力。重复这个过程，直至两次相邻迭代的模量接近某个规定的精度为止［7-8］。

2 计算模型与计算参数

以双轮组单轴载100、150、200 kN为计算轴载，简化为双圆均布荷载的轮载半径分别为10.65、12、13.26 cm，接地压力分别为0.7、0.829、0.906 MPa。计算模型见图1，各结构层材料参数见表1。

3 路面非线性力学响应的计算结果与分析

3.1 沥青面层最大剪应力

沥青面层厚度、级配碎石过渡层厚度和模量、半刚性基层厚度对沥青面层最大剪应力的影响规律［9］见图2～5。

由图2～5可以看出，当沥青面层厚度为7 cm时，面层剪应力水平最高；面层最大剪应力随过渡层厚度的增大而增大，过渡层厚度由9 cm增至30 cm，面层最大剪应力增大30～80 kPa，即提高10%～20%；面层最大剪应力随过渡层模量的增加而减小，过渡层模量由300 MPa增至600 MPa，面层最大剪应力减少140～200 kPa，即降低33%以上；面层最大剪应力随半刚性基层厚度的增大而增大，半刚性基层由15 cm增至45 cm，面层最大剪应力增大50～80 kPa，即提高17%～22%。

综上可知，7 cm为沥青面层剪应力最不利厚度，减薄过渡层和基层、增加过渡层模量可降低沥青面层剪应力，防止沥青面层车辙破坏。

3.2 沥青面层层底拉应力

沥青面层厚度、级配碎石过渡层厚度和模量、半刚性基层厚度对沥青面层层底拉应力的影响规律见图6～9。

由图6～9可以看出，当沥青面层厚度为12 cm时，面层层底拉应力水平最高；随着级配碎石过渡层厚度的增大，面层底部由受压状态向受拉状态转变，且层底拉应力逐渐增大，过渡层由9 cm增至30 cm，面层层底拉应力约增大75 kPa；随着级配碎石过渡层模量的增大，面层由受拉状态向受压状态转变，过渡层模量由300 MPa增至700 MPa，面层层底拉应力减小400 kPa以上；随着半刚性基层厚度的增大，面层层底由受压状态向受拉状态转变，且层底拉应力逐渐增大，基层由15 cm增至45 cm，面层层底拉应力增大约80～120 kPa。

综上可知，12 cm为沥青面层层底拉应力最不利厚度，减薄过渡层和基层、增加过渡层模量可降低沥青面层层底拉应力，防止沥青面层疲劳破坏。

3.3 过渡层剪应力

沥青面层厚度、级配碎石过渡层厚度和模量、半刚性基层厚度对过渡层剪应力的影响规律见图10～13。

由图10～13可以看出，过渡层剪应力随着沥青面层厚度的增大而减小，面层由5 cm增至15 cm，过渡层剪应力减小170 kPa以上，即降低67%以上；过渡层剪应力随其厚度的增大而增大，过渡层由9 cm增至30 cm，其最大剪应力减小不足10 kPa；过渡层剪应力随着半刚性基层厚度的增大而增大，但过渡层最大剪应力相差不超过30 kPa；过渡层模量从300 MPa提高到700 MPa，其最大剪应力差值不超过20 kPa。

综上可知，加厚沥青面层、减薄级配碎石过渡层和半刚性基层可减小过渡层最大剪应力，防止级配碎石过渡层剪切破坏；过渡层模量对过渡层最大剪应力的影响不明显［10］。

3.4 基层层底拉应力

沥青面层厚度、级配碎石过渡层厚度和模量、半刚性基层厚度对基层层底拉应力的影响规律见图14～17。

由图14～17可以看出，基层层底拉应力随着沥青面层厚度的增大而减小，面层厚度由5 cm增至15 cm，基层层底拉应力减小200～250 kPa，即降低30%～48%；基层层底拉应力随着级配碎石过渡层厚度的增大而减小，过渡层厚度由9 cm增至30 cm，基层层底拉应力减小200～400 kPa，约降低45%；基层层底拉应力随着级配碎石过渡层模量的增大而减小，模量由300 MPa增至700 MPa，基层层底拉应力减小50～90 kPa；基层层底拉应力随着半刚性基层厚度的增大而降低，基层厚度由15 cm增至50 cm，基层层底拉应力减小300～600 kPa，约降低67%。

综上可知，加厚沥青面层、级配碎石过渡层和半刚性基层、提高级配碎石过渡层模量有利于降低基层层底拉应力，防止半刚性基层破坏。

4 结语

（1）沥青面层厚度增大，半刚性基层层底拉应力和级配碎石过渡层剪应力减小；沥青面层厚度为7 cm时面层剪应力最不利，厚度为12 cm时面层层底拉应力最不利。

（2）级配碎石过渡层厚度增大，沥青面层剪应力、层底拉应力和过渡层剪应力略有增大，但半刚性基层层底拉应力却明显减小。因此，建议级配碎石过渡层厚度为20 cm。

（3）半刚性基层厚度增加，沥青面层剪应力、层底拉应力和级配碎石过渡层剪应力增大，基层层底拉应力明显减小。因此，建议半刚性基层厚度为20 cm。

（4）级配碎石过渡层模量增大，沥青面层剪应力、层底拉应力和半刚性基层层底拉应力减小，过渡层剪应力略有增大。因此，应设法提高级配碎石过渡层的模量。

参考文献：

［1］邓学钧，黄晓明.路面设计原理与方法［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］黄仰贤.路面分析与设计［M］.余定选，齐诚，译.北京：人民交通出版社，1998.

［3］董江涛.级配碎石过渡层沥青路面结构研究［D］.西安：长安大学，2008.

［4］袁峻，黄晓明.级配碎石夹层半刚性底基层沥青路面结构分析［J］.中南公路工程，2006，31（5）：43-47.

［5］袁峻.级配碎石基层性能与设计方法的研究［D］.南京：东南大学，2004.