路面結(jié)構(gòu)層模量及厚度的力學(xué)性能分析

      導(dǎo)  言
      我國當(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，總體上來說面層模量對(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了一些問題，通過對(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?。换鶎幽Ａ康脑龃?，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竣工驗(yàn)收。這可能是當(dāng)前我國半剛性基層高級(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。
      然而過大的基層模量會(huì)導(dǎo)致面層內(nèi)過大的壓應(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1 O00MPa～3 000MPa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0.8～1.2 GPa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。