道路工程Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉ设置级配碎石基层 沥青路面结构力学分析 孔保林 （邯郸市青红高速公路管理处，河北邯郸０５６００２） 摘要：以沥青路面路基顶面压应变、路表弯沉为研究指标，使用Ｂｉｓａｒ３．０软件分析了级配碎石基层厚度与模量及土基模 量变化对这两种指标的影响，可供同行参考。 关键词：级配碎石；Ｂｉｓａｒ３．０；竖向压应变；路表弯沉 中图分类号：Ｕ４１６．０１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—４７８６（２０１２）０６—００６０—０３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ａｓｐｈａｌｔ Ｐａｖｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｇｒａｄｅｄ Ｇｒａｖｅｌ Ｂａｓｅ ＫＯＮＧ Ｂａｏ—ｌｉｎ （Ｈａｎｄａｎ Ｑｉｎｇ－－Ｈｏｎｇ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｈａｎｄａｎ ０５６００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｔｏｐ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｌｅｃ— ｔｉｏｎ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｉｎｄｅｘ ｗｈｅｎ ｇｒａｄｅｄ ｇｒａｖｅｌ ｂａｓｅ Ｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｏｉｌ ｂａｓｅ Ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ Ｂｉｓａｒ３．０ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｓｕｌｔｅｄ ｂｙ ｐｅｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｄｅｄ ｇｒａｖｅｌ；Ｂｉｓａｒ３．０；ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒａｉｎ；ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ 级配碎石是由几种不同粒径的碎石按一定比例 和石屑掺配制成的混合料，其模量与强度相对于一 般稳定性基层差一些，碎石颗粒之间的嵌挤力和碎 为基础的。本文将通过路面结构力学响应分析，找 出沥青面层、级配碎石基层和土基各自的应力状况 以及受力特点，以便于对沥青路面使用寿命进行预 石颗粒本身的强度是级配碎石基层强度的主要结构 构成。目前对级配碎石基层的应用和研究还不够成 熟，因此有必要对级配碎石设计方法进行分析。路 面设计方法经历了由经验法（以ＡＡＳＨＴＯ法为代表） 经过发展演化为理论分析法的过程，是以受力分析 …．ｎ．…… ㈤●０ ㈤．ｎ．㈤……测及分析，并推荐合理的路面结构厚度及模量。 １ 计算说明 １．１ 计算路面结构方案 本文采用Ｂｉｓａｒ ３．０软件，计算分析级配碎石基 层沥青路面结构。计算采用标准轴载ｌＯ０ｋＮ，轮胎 ｎ．ｎ一 ●（＞●＜） ｏ●ｏ●０●＜ ｏ●ｏ●＜ ｏ● 土参与工作比例增大，故群桩夯扩载体灰土挤密桩复 合地基沉降量比单桩工作状态的复合地基沉降量大。 ３ 结论 学报，１９９０，１（１２）：２１—３１． ［２】刘三仓．灰土挤密桩地基桩土应力比及承载力 探讨『Ｊ］．岩土工程学报，１９９６，（１）：９１—９４． ３．１ 沿深度方向。桩身承担的荷载在１ｄ～４ｄ之间 ［３］王亮，赵均海，等．挤密桩夯填过程的塑性分 析ｌＪ１．长安大学学报，２００７，２７（２）：６７—７０． 『４］石坚．黄土地基群桩效应的有限元分析『Ｊ］．西安 工程学院学报，２０００，（６）：５２—５５． 衰减很快，４ｄ～９ｄ深度范围内衰减速度减缓，超过 ９ｄ以后，桩身承担荷载继续衰减直至接近于零。 ３．２ 群桩与单桩的差别主要在沉降方面．由于群 桩效应，应力叠加，桩间土参与工作比例增大，因 此群桩的沉降较大。 参考文献 『５１ ＧＢ／Ｔ ５０１２３－－１９９９，土工试验方法标准『Ｓ１． ［１］张苏民．湿陷性黄土增湿变形特征［Ｊ］．岩土工程 ６０ ｆ交通标准化 收稿日期：２０１１—１１－３０ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ道路工程 压强为０．７ＭＰａ，计算点位为两轮隙中点位置。结构 方案及计算参数如表１所示。 表１ 结构方案及计算参数 指标，简单、直观，容易测量和验证，便于控制沥 青路面施工质量，仍是我国沥青路面设计的重要指 标之一。 我国公路沥青路面设计规范中要求轮隙中心处 结构层 ＳＭＡ一１３ ＡＣ一２０ ＡＴＢ一２５ 厚度／ｃｍ １５℃模量／ＭＰａ 泊松比 劈裂强度／ＭＰａ ４ ６ ８ ２ ２００ １ ８００ １ ２００ ０．２５ ０．２５ ０．２５ １．４ Ｏ．８ ０．６ 路表计算弯沉值 应小于或等于设计弯沉值 ，即： Ｚ ≤ 级配碎石 碎石垫层 土基 １５～５５ １５ ２００～８００ １８Ｏ ４０－２００ ０＿３５ ０－３５ ０－３５ 一 一 一 设计弯沉值 应根据公路等级、公路设计年限 内累计标准当量轴次、面层和基层类型，按下式计 算确定： ｌｄ＝６ＯＯＮ￣￣．２Ａ。Ａ Ａ ６ １．２ 层间条件 沈金安教授在《高速公路沥青路面早期损坏分 析与防治对策》一书中对层间接触条件提出这样的 看法： 式中： ——设计弯沉值，０．０１ｍｍ； ——设计年限内一个车道累计当量轴次， 辨道： ａ）沥青层各层之间完全连续；ｂ）沥青层与级 Ａ。——公路等级系数，高速公路、一级公路 为１．０，二级公路为１．１，三、四级公路为１．２； Ａ ——面层类型系数，沥青混凝土面层为 配碎石层按滑动计算；ｃ）沥青层或级配碎石与无 机结构料稳定集料之间，一般认为在半刚性材料 未损坏之前可按连续计算，损坏以后按滑动计算。 本文对层间条件的考虑同上。 ２ 分析指标 ２．１ 路基顶面竖向压应变 １．０，热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入式路面、沥 青表面处治为１．１： Ａ ——路面结构类型系数，半刚性基层沥青 路面为１．０，柔性基层沥青路面为１．６。 路表弯沉对于不同类型路面结构（半刚性基层、 柔性基层）的设计标准是不一致的，现行规范虽然 给出了半刚性基层和柔性基层弯沉值的修正系数圜． 沥青混凝土路面结构设计初始．其主要目的就 是为保护路基土，使之不经受车辆的直接作用，通 过路面传播至土基的应力被扩散而不会造成土基过 大的沉降。这一点反映在设计思想及设计方法上． 主要是控制土基顶面应力及垂直位移量。传统的路 面结构设计是以强度为第一设计指标，而现代高速 公路的功能性设计是以变形为第一控制参数，故预 防路面结构出现车辙变形和开裂已成为沥青路面设 计的主要目的【１１ 但对于出现的新类型路面结构（柔性基层与复合式 基层）和新的路面材料，该设计指标不能准确反映 结构的受力状况，同样弯沉的路面结构，其内部受 力状况可能相差悬殊。但为了使设计与施工有个相 统一的指标，还应采用路表弯沉作为长寿命沥青路 面结构的设计及质量控制指标。 ３ 路面结构力学分析 ３．１ 级配碎石层模量的影响（见图１） 防止路面开裂可通过控制沥青层最大拉应变和 半刚性基层的层底拉应力来实现。但对于车辙深度 及控制措施，现行规范中并无切合实际的计算方法 及处理办法。若车辙属于表面车辙，则只发生在沥 由图１可知，弯沉大小与级配碎石模量的大小 成反比例，且随级配碎石模量的增加而降低，变化 趋势逐渐变缨 。土基顶部压应变随级配碎石模量 青层，通过罩面就能保证结构良好；若车辙属于结 构性车辙，则是由路面各结构层的永久变形累积形 成的，其中路基土的永久变形直接控制着结构性车 辙的深度，在施工时主要是通过压实度来加以限 制。在设计时，建议采用基顶压应变作为控制路面 总变形量的设计指标。 ２．２ 路表弯沉值 的增加而呈直线下降趋势。 ３．２ 级配碎石层厚度的影响（见图２） 由图２可知，路表弯沉随级配碎石层厚度的增 大而减小，大概呈线性变化的趋势。级配碎石层厚 度在３５ｃｍ以下时．土基顶部压应变随着级配碎石 层厚度的增加几乎没有变化：级配碎石层厚度大于 近几年．专家学者对路表弯沉指标提出了较多 ３５ｃｍ时，随着级配碎石层厚度的增加．土基顶部 压应变减小幅度较大。 的异议，但其作为唯一的设计与施工验收相对应的 ２０１２年３月第６期ｌ ６１ 道路工程ＨＩｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ ０＿【× ∞船 ∞勰 如 如加 ∞ 蚰 ∞瑚 ∞ ４ 加 ∞ 模 。 姗鲫 ∞ ∞、蕈 皲 ∞ ∞ ∞ ４Ｕ ＯＵ Ｕ １０Ｕ ＩＺＵ １４０ ＩｂＵ ｌ Ｕ ＺＬ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ 土基模量／ＭＰａ ｂ） ｇⅢ／＿【０．０×蟮 模量／ＭＰａ ｂ１ 邑＿Ｉ× 坦 图３ 路表弯沉、土基顶部压应变随土基模量变化图 ∞ 如 ∞ 如 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 图１ 路表弯沉、土基顶部压应变随级配碎石模量变化图 ∞ ∞ 鲫 时，随着土基模量的增大，路表弯沉减小得较快； 当土基模量大于８０ＭＰａ时，随着土基模量的增大， 路表弯沉减小得较慢。土基顶部压应变随土基模量 的增加而降低的趋势变缓。 ４ 结语 ∞土 基 采用Ｂｉｓａｒ３．０软件分析级配碎石基层沥青路面 结构的力学性能，通过改变级配碎石模量和厚度， 啪 对沥青路面路基顶面压应变、路表弯沉指标进行分 ∞ ∞ 加 Ｏ 析，可以得到如下结论：增大级配碎石模量可减小 路基顶面压应变和路表弯沉。随着级配碎石层厚度 的增加，土基顶部压应变减小很少，当级配碎石层 达到一定厚度时，土基顶部压应变减小幅度较大。 参考文献 『１１姚祖康．对国外沥青路面设计指标的评述（连载 一）『Ｊ１．公路，２００３，（３）：１８—２５． ［２］郭亚兵，丛林，郑航，等．半刚性基层沥青路 面结构设计指标的研究［ＪＪ．上海公路，２００２，（４）： １５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ ５０ ５５ 基层厚度／ｃｍ ｂ） ６－９． 『３１袁峻．级配碎石基层性能与设计方法的研究 ］． 图２ 路表弯沉、土基顶部压应变随级配碎石层厚度变化图 南京：东南大学，２００４． ３－３ 土基模量的影响（见图３） 由图３可知，路表弯沉、土基顶部压应变均随 土基模量的增大而减小。当土基模量在８０ＭＰａ以下 作者简介：孔保林（１９７ｌ一），男，高级工程师。 收稿日期：２０１１—１１—２８ ６２ ｌ交通标准化
