半剛性基層瀝青路面橡膠應(yīng)力吸收層的合理性厚度及彈性模量研究

郭敬姐

（北京中咨華帆工程咨詢有限公司，北京 100176）

0 引言

我國高等級公路絕大部分采用半剛性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)，在日趨惡化的交通壓力下，路面開裂已成為目前半剛性基層瀝青路面主要缺陷之一。在路面裂縫中，半剛性基層的反射裂縫占有很大比重，反射裂縫的出現(xiàn)破壞了路面結(jié)構(gòu)整體性和連續(xù)性，隨著雨水或雪水的浸入，基層在大量行車荷載的反復(fù)作用下強(qiáng)度大大降低，產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象，使裂縫加寬，裂縫兩側(cè)的瀝青路面破碎，加速了瀝青路面的破壞，嚴(yán)重影響公路使用質(zhì)量和壽命[1]。

在半剛性基層與瀝青面層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層，能夠有效預(yù)防、延緩瀝青面層的反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，在國內(nèi)外道路工程研究領(lǐng)域已形成共識[2]。利用橡膠瀝青作為應(yīng)力吸收層的膠結(jié)料，一方面能提高瀝青與集料的粘附性；另一方面可以發(fā)揮橡膠瀝青的優(yōu)點，提高吸收層的應(yīng)力吸收能力，有效地減少或防止面層反射裂縫的產(chǎn)生[3，4]。因此，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層以其特有的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，以及抗老化、抗疲勞和抗水損壞的特性[5]，成為應(yīng)力吸收層研究應(yīng)用領(lǐng)域較為推崇的結(jié)構(gòu)材料。

雖然橡膠瀝青應(yīng)力吸收層作為防治反射裂縫的工程措施在國內(nèi)已經(jīng)開始個別試驗段的鋪設(shè)[6]，近年，其厚度及彈性模量的合理性也不乏文獻(xiàn)研究[7]，但結(jié)合車輛荷載的動力特征，考慮半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)在靜載及制動荷載耦合作用下橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的合理厚度及彈性模量還缺乏大量的研究數(shù)據(jù)支撐。本文依托密涿支線高速公路諸葛店至段甲嶺段建設(shè)項目，選取了半剛性基層瀝青路面的代表方案，利用Asphalt Pavement Design設(shè)計軟件建立半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析模型，對比了設(shè)置應(yīng)力吸收層與未設(shè)置應(yīng)力吸收層對路面各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉和層底彎拉應(yīng)力的兩種情況影響，以期為橡膠應(yīng)力吸收層的厚度及彈模的合理性設(shè)計提供較為準(zhǔn)確、可靠的參考及依據(jù)。

1 力學(xué)計算模型及計算參數(shù)

1.1 行車荷載

實際輪胎作用于路面的形狀及垂直壓力相當(dāng)復(fù)雜，并非多層彈性體系理論中的圓形均布荷載所能簡單描述的。大量的文獻(xiàn)資料及試驗結(jié)果表明，輪胎作用于路面的形狀更接近于矩形，且隨載荷的增加，矩形形狀越明顯。鑒于此，本分析中，計算荷載采用瀝青路面現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載100kN，胎壓0.7MPa。

1.2 力學(xué)計算模型

在靜載分析中，在路表行車荷載接地范圍內(nèi)施加0.7MPa的均布面荷載，并將其傳遞至土基底部，水平荷載系數(shù)分別取0.1、0.3和0.5。彎拉應(yīng)力計算點分布示意如圖1所示。

圖1 彎拉應(yīng)力計算點分布示意圖

1.3 材料參數(shù)

選取較為典型的半剛性基層瀝青路面進(jìn)行力學(xué)分析，其中材料回彈模量采用項目實測值，泊松比參考美國SHRP LTPP中推薦值。具體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2 原路面結(jié)構(gòu)面層頂面彎沉值和層底拉應(yīng)力

利用瀝青路面彈性層狀體系理論，計算密涿支線高速公路諸葛店至段甲嶺段的各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值和層底拉應(yīng)力，計算結(jié)果如表2所示。

表2 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值和層底拉應(yīng)力

3 應(yīng)力吸收層對路面面層頂面彎沉值的影響

在原路面結(jié)構(gòu)中增設(shè)兩種類型應(yīng)力吸收層，厚度分別為1cm和2cm，其模量值分別取400MPa，500MPa，600MPa和700MPa，利用瀝青路面彈性層狀體系理論，計算密涿支線高速公路諸葛店至段甲嶺段各瀝青面層結(jié)構(gòu)層在設(shè)置1cm和2cm應(yīng)力吸收層條件下的頂面彎沉值，計算結(jié)果如表3和圖2所示。

表3 半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值

圖2 設(shè)置應(yīng)力橡膠吸收層后瀝青面層頂面彎沉值

從表3和圖2可知：

a）半剛性基層瀝青路面面層頂面彎沉值在設(shè)置應(yīng)力吸收層后其值均有一定程度的降低，在厚度固定的應(yīng)力吸收層作用下，其值降低幅度隨應(yīng)力吸收層模量的增加而增加；

b）半剛性基層瀝青路面面層頂面彎沉值在設(shè)置應(yīng)力吸收層后其值均有一定程度的降低，在模量固定的應(yīng)力吸收層作用下，其值降低幅度隨應(yīng)力吸收層厚度的增加而增加，表4為在半剛性基層瀝青路面中設(shè)置應(yīng)力吸收層后對面層頂面彎沉值的影響關(guān)系表。

表4 應(yīng)力吸收層對面層頂面彎沉值的影響關(guān)系

從表4可知，當(dāng)應(yīng)力吸收層的模量在400～500MPa的時候，其厚度的變化對半剛性基層瀝青路面面層頂面彎沉值的影響基本接近，而當(dāng)應(yīng)力吸收層的模量在600～700MPa的時候，其厚度的變化對半剛性基層瀝青路面面層頂面彎沉值的影響比較顯著。

4 設(shè)置應(yīng)力吸收層對路面面層層底拉應(yīng)力的影響

在原路面結(jié)構(gòu)中增設(shè)兩種類型應(yīng)力吸收層，厚度分別為1cm和2cm，其模量值分別取400MPa，500MPa，600MPa和700MPa，利用瀝青路面彈性層狀體系理論，計算密涿支線高速公路諸葛店段至甲嶺段各瀝青面層結(jié)構(gòu)層在設(shè)置1cm和2cm應(yīng)力吸收層條件下的面層底面層底拉應(yīng)力，計算結(jié)果如表5和圖3所示。

表5 半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力

圖3 下面層層底拉應(yīng)力與應(yīng)力吸收層模量關(guān)系

從上表5和圖3可知：

a）設(shè)置應(yīng)力吸收層和未設(shè)置應(yīng)力吸收層對半剛性基層瀝青面層上面層和中面層的層底拉應(yīng)力沒有影響，但對下面層的層底拉應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響；

b）相對于未設(shè)置應(yīng)力吸收層時的下面層層底拉應(yīng)力，半剛性基層瀝青路面下面層層底拉應(yīng)力在設(shè)置1cm的應(yīng)力吸收層作用下，其值相對有所降低，但降低的幅度隨應(yīng)力吸收層模量的增加而增加；

c）相對于未設(shè)置應(yīng)力吸收層時的下面層層底拉應(yīng)力，半剛性基層瀝青路面下面層層底拉應(yīng)力在設(shè)置2cm的應(yīng)力吸收層作用下，其值相對有所增加，但增加的幅度隨應(yīng)力吸收層模量的增加而降低。

表6為在半剛性基層瀝青路面中設(shè)置應(yīng)力吸收層后對下面層層底拉應(yīng)力的影響關(guān)系表。

表6 應(yīng)力吸收層對下面層層底彎拉應(yīng)力的影響關(guān)系

從表6可知，當(dāng)應(yīng)力吸收層的厚度增加時，應(yīng)力吸收層不但不能降低半剛性基層瀝青路面下面層的層底拉應(yīng)力反而會增加下面層層底的拉應(yīng)力，由此可知，應(yīng)力吸收層的厚度不宜過厚；當(dāng)應(yīng)力吸收層的模量在400～500MPa的時候，其厚度的變化對半剛性基層瀝青路面面層頂面彎沉值的影響基本接近，而當(dāng)應(yīng)力吸收層的模量在600～700MPa的時候，其厚度的變化對半剛性基層瀝青路面面層頂面彎沉值的影響比較顯著。

5 結(jié)語

在車輛水平及制動荷載作用下，綜合考慮應(yīng)力吸收層厚度和模量對半剛性基層瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值和層底拉應(yīng)力的影響關(guān)系，經(jīng)分析，本文推薦的應(yīng)力吸收層厚度為1cm，模量值為400～600MPa。

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