H现代公路IGHWAY半刚性基层沥青路面面层层位功能分析文/李海波 魏如喜前言随着国外耐久性沥青路面（或称长寿命沥青路面）设计理念的引进，我国道路工作者对沥青路面结构组合设计越来越重视，半刚性沥青路面结构的沥青面层厚度有逐渐增厚的趋势。那么，沥青面层分几层设计合适，每一沥青层材料设计应侧重哪些方面的性能要求等，则是沥青路面结构设计必须要明确的关键问题，否则，盲目的增加沥青面层厚度将很难起到路面耐久的作用。本文利用长寿命沥青路面设计分析软件BISAR3.0，以及希尔斯（Hills）和布来因（Brien）提出的温度应力计算公式，分析了半刚性基层沥青路面在沥青面层厚度、模量、行车荷载和环境温度等条件下的沥青面层应力分布规律，并依此确定沥青面层不同深度的功能分区，对指导半刚性基层沥青路面的沥青面层组合设计具有重要意义。应力计算时采用垂直荷载作用下的弹性层状连续体系，荷载采用双轮组单轴载100KN作为标准轴载，单轮传压面当量圆直径21.30cm，轮胎接地压强0.7MPa，两轮中心距31.95cm。计算点为单圆荷载中心处以下每2cm深度取一点。均在面层底部达到最大值，因此，面层厚度对沥青面层层底拉应力峰值位置的影响不大。同时随沥青面层总厚度的增加，面层底部最大拉应力值减小。由此表明增加面层厚度有利于提高面层的抗疲劳破坏能力。由图3可见，当面层厚度H1从16cm增加到30cm时，剪应力沿路面深利用BISAR3.0的沥青面层应力分布规律分析在半刚性基层沥青路面设计中，影响沥青面层内部里应力分布规律的主要变量有面层厚度、面层模量，以及行车荷载的大小等。度先增大后减小，且均在6～7cm深度处剪应力达到最大值。因此面层厚度对最大剪应力位置无明显影响。面层模量对拉应力的影响分析在保持路面其他设计参数不变的条件下，改变沥青面层模量（E1为1000MPa～2400MPa），进行沥青面层不同深度拉应力和剪切应力的计算。沥青面层不同深度处的拉应力、剪切应力随深度变化规律见图4、图5。由图4可见，当面层模量E1从1000Mpa增加到2400Mpa时，应力为压应力的范围变化不大，基本在距路表深度0～11cm范围内，而在距路表深度10cm以下则表现为拉应力，且拉应力随深度增加而增大，在面层底达到最大值。同时，随面层模量的增加，面层底部最大拉应力增大。总的来说，面层模量对层底拉应力峰值位置无明显影响。由图5可见，当面层模量E1从面层厚度对应力的影响分析在保持路面其他设计参数不变的条件下，改变沥青面层厚度（H1为16cm～30cm），进行沥青面层不同深度处的拉应力（拉应力为负值时材料受压，拉应力为正值时材料受拉）、剪切应力的计算。沥青面层不同深度处的沥青路面结构与设计计算参数采用的半刚性基层沥青路面结构形式及参数见图1。拉应力、剪切应力随深度变化规律见图2、图3。由图2可见，当面层总厚度H1从16cm增加到30cm时，应力为压应力的范围由距路表深度0～8cm增加到0～15cm；距路表深度8～15cm以下则表现为拉应力，并随深度增加而增大，172TRANSPOWORLD 2012 No.18 (Sep)1000Mpa增加到2200Mpa时，同样剪应力沿路面深度先增大后减小，且依然在距路表6～7cm深度处达到峰值，因此面层模量对最大剪应力位置无明显影响。荷载对拉应力的影响分析在保持路面其他设计参数不变的条件下，改变轴载标准（轴载由100KN～200KN），进行沥青面层不同深度拉应力和剪切应力的计算。沥青面层不同深度处的拉应力、剪切应力随深度变化规律见图6、图7。由图6可知，当车辆荷载从100KN增加到200KN时，正应力在距路表深度0～11cm范围内表现为压应力，距路表深度11cm以下表现为拉应力，且拉应力随着深度增加在增大，在面层底部达到最大值。虽然面层底部最大拉应力随车辆荷载的增加而明显增大，但车辆荷载对层底拉应力峰值位置几乎没有影响。由图7可见，随着荷载的增大，最大剪应力也较明显的增大，且剪应力峰值点深度略有下移，不过基本都位于距路表深度6～7cm范围。同样车辆荷载变化对沥青面层最大剪应力位置无明显影响。综上所述，在面层厚度、面层模量和荷载变化情况下，面层最大拉应力位置均出现在沥青面层的底部，而应力由压应力转变为拉应力的位置均出现在沥青面层厚度的1/2深度处。因此，在沥青面层结构设计时，沥青面层下半部分特别是沥青下面层为拉应力的分布区域，该区域会对路面的抗疲劳稳定性产由此来研究沥青路面面层内部低温温缩生不利的影响，较易产生弯拉疲劳破应力峰值分布区域和主抗低温缩裂区。坏，其材料设计应重点考虑抗疲性能。根据天津的魏如喜等在“津滨高对于沥青面层内部的剪切应力，速公路改扩建工程耐久性沥青路面关键沥青面层的厚度、面层模量和荷载，对技术研究”课题中关于沥青面层低温温沥青面层最大剪应力位置无明显影响，缩应力的分析结果（路面结构组成与本始终位于距路表深度6～7cm附近。因文路面结构相同），津滨高速公路沥青此，沥青面层内部剪应力的峰值分布区面层累计低温温缩应力 沿路面竖向的域，都为以路面深度6～7cm为中心的分布规律（见图8）。面层中部区域或中上部，该区域会对沥由图8可知，沥青面层内部的低温青面层的高温稳定性产生不利的影响，温缩应力在路表表现为最大，随着沥青易产生剪切破坏，使路面产生车辙、拥面层深度加深而逐渐减小。因此，沥青抱、推挤等破坏，故该区的材料设计应面层温缩应力的峰值分布区域应为靠近重点考虑抗车辙性能。沥青面层表面区域，特别是沥青表面层为低温温缩应力的主要承受层，其材料沥青路面低温温缩应力分布设计应重点考虑抗低温开裂性能。规律分析半刚性基层沥青路面低温温缩结论应力采用希尔斯（Hills）和布来因当前，在我国高速等级沥青路面（Brien）提出的温度应力计算公式，结构设计中，对沥青面层结构设计和材2012年第18期 (9月下)《交通世界》173H现代公路IGHWAY半刚性路面设计模量取值方法的研究文/张 辉表1 某高速公路交通参数序号123456车型名称北京BJ130东风EQ140东风SP9250黄海DD680黄河JN163江淮AL6600前轴重（kN）13.5523.750.74958.617后轴重（kN）27.269.2113.391.511426.5113111后轴数后轴轮组数双轮组双轮组双轮组双轮组双轮组双轮组>3后轴距（m）交通量（辆/d）260660330450868220设计年限：15，车道系数：0.5。前5年8%；之后5年7%；最后5年5%。当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时：Ne=2065万次；当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时：Ne=2632万次；路面设计交通等级为特重交通等级；面设计弯沉值：20.7（0.01mm）。备注概述《公路沥青路面设计规范》（JTJ 014-1997）在弯沉与弯拉指标的计算中，均采用均值减二倍均方差（以下称标准差）的方法计算模量，对弯拉应力的计算偏于不安全，因此《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）考表2 结构层材料及容许拉应力计算层位12345结构层材料名称细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土水泥稳定碎石水泥石灰砂砾土虑模量取值的不利组合，采取计算层及以上的模量用均值加二倍标准差，弯拉应力计算层以下各层的模量用均值减二倍标准差的方法，使计算获得较大拉应力。在考虑了材料模量的不利组合后，结构层弯拉应力将起控制作用。在实际设计中由于《公路沥青路面设计规范》（JTJ 014-1997）强制规定，半刚性材料在弯沉与弯拉指标的计算中，均采用均值减二倍标准差的方法计算模量，包括 《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）实施前的软件也强制执行这一规定，造成设计人员不能很好地理解材料模量的不利组合对结构层弯拉应力大小带来的影响，使得结构设计偏于不安全。劈裂强度（MPa）1.210.80.60.4容许拉应力（MPa）0.330.270.220.260.14本文针对上述情况，利用HPDS2011软件计算证明材料模量的不利组合对结构层弯拉应力大小带来的影响，同时分析使用过程中，因半刚性材料模量的变小对沥青层造成的应力增大料选择是应注意考虑以下几点： 沥青面层宜采用表面层、中面层和下面层的三层式沥青面层结构，针对不同层位应力分布特点和功能要求，对各沥青面层材料提出相应的要求。 沥青表面层为沥青面层的最上一层，在承担路面表面功能的同时，是承受低温温缩应力的前沿区域；在材料设计时，应在兼顾材料的水稳定性、抗滑性能和高温抗车辙性能的同时，重点考虑材料的低温抗裂性能。 沥青中面层为沥青面层的中间层位，在承担和分布表面层传递下来应力的同时，为行车荷载造成的剪切应力承受的危险区域，容易首先发生剪切破坏；因此，在材料设计时，应在兼顾材料的水稳定性和低温抗裂性能的同时，重点考虑材料的高温抗车辙性能。 沥青下面层为沥青面层的下部层位，在承担和分布中、表面层传递下来应力的同时，为行车荷载造成的最大弯拉应力的承受区域，容易首先发生疲劳破坏；因此，在材料设计时，应在兼顾材料的水稳定性和高温抗车辙性能的同时，重点考虑材料的抗疲劳开裂能力。作者单位：李海波——天津市高速公路集团有 限公司 魏如喜——天津市市政工程研究院174TRANSPOWORLD 2012 No.18 (Sep)
