碎石墊層模量對路面力學性能的影響分析

李洪雁

(新疆巴音郭楞蒙古自治州交通運輸局，新疆 庫爾勒 841000)

1 路面結(jié)構(gòu)與計算方案

由于碎石墊層與路面頂面距離較遠，在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變水平不高，碎石墊層模量的非線性特點不明顯，因此本次計算中仍假定為線彈性材料[2]。計算時將整個路面結(jié)構(gòu)看作為一種多層連續(xù)線彈性體系，采用殼牌(SHELL)法的BISAR程序?qū)Σ煌Ａ肯庐a(chǎn)生的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力效應(yīng)值進行計算[3]。結(jié)構(gòu)層各層泊松比、20 ℃和15 ℃抗壓模量取值如表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)與參數(shù)

計算圖示如圖1所示，計算模型采用標準軸載，即雙輪組單軸100 kN，BZZ-100單輪當量圓直徑取值為21.3 cm，兩輪間距則為10.65×3=31.95 cm，輪胎接地壓力p為0.7 MPa[4]。根據(jù)計算模型，計算在不同墊層模量下A、B、C、D各計算點處各層層底拉應(yīng)力σt、應(yīng)變εt、土基頂面壓應(yīng)變εc、面層內(nèi)部剪應(yīng)力及基層內(nèi)部應(yīng)力效應(yīng)值。

圖1 力學分析結(jié)構(gòu)示意圖(單位：cm)

2 碎石墊層模量對結(jié)構(gòu)受力的影響

2.1 瀝青混凝土面層應(yīng)力變化

(1)層底拉應(yīng)力

根據(jù)計算模型，碎石墊層厚度取值為20 cm，分別計算碎石墊層模量為50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 MPa時各計算點處瀝青混凝土各面層層底拉應(yīng)力。上、中、下面層層底拉應(yīng)力計算結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負，A、B、C、D則分別代表四個不同計算點，路面結(jié)構(gòu)厚度及計算點具體位置詳見圖1。

圖2 上面層層底拉應(yīng)力

圖3 中面層層底拉應(yīng)力

圖4 下面層層底拉應(yīng)力

從圖2～圖4中計算結(jié)果可以看出，瀝青混凝土面層內(nèi)，上、中、下面層層底均處于受壓狀態(tài)，最大水平壓應(yīng)力也均位于單圓荷載中心處。從層底拉應(yīng)力隨墊層模量的變化趨勢來看，各層層底拉應(yīng)力隨模量增大有減小的趨勢，但變化幅度均很小，幅度均在20 kPa以內(nèi)，碎石墊層模量對各面層層底拉應(yīng)力的影響并不顯著。從各面層層底產(chǎn)生的拉應(yīng)力大小來看，上面層層底拉應(yīng)力最大，其次為中面層，下面層產(chǎn)生的拉應(yīng)力為最小。

(2)剪應(yīng)力

當級配碎石材料的抗剪強度不足時，產(chǎn)生的剪切破壞會使路面的車轍大幅增加，尤其在縱坡較大的路段，由于水平荷載的驟增，級配碎石墊層還有可能產(chǎn)生剪切滑移，使瀝青面層更容易產(chǎn)生擁包等病害，嚴重影響路面的使用壽命。

對處于三向受力狀態(tài)的路面結(jié)構(gòu)層，在其破壞面上取單元體，其三個主應(yīng)力分別為σ1、σ2、σ3，且σ1>σ2>σ3，該結(jié)構(gòu)層材料的內(nèi)摩擦角為φ[5]。根據(jù)莫爾強度理論，該點處所受剪應(yīng)力τα取決于σ1和σ3，即

(1)

(2)

則有τα=τmcosφ

(3)

從公式(3)可以看出結(jié)構(gòu)層內(nèi)某點破壞時所受的剪應(yīng)力τα與該點處所能承受的最大剪應(yīng)力τm直接相關(guān)，并呈線性關(guān)系。因此可以通過研究結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力τm的變化分析各因素對剪應(yīng)力的影響。

在既定的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)下，輪跡邊緣(C點位)瀝青混凝土面層內(nèi)部剪應(yīng)力如圖5所示。

圖5 瀝青混凝土面層內(nèi)最大剪應(yīng)力變化

從圖5中看到，不同模量的碎石墊層，其對應(yīng)的瀝青混凝土面層內(nèi)部剪應(yīng)力變化趨勢一致，峰值出現(xiàn)的深度相同，在上面層和中面層中內(nèi)部剪應(yīng)力逐漸減小，在下面層中剪應(yīng)力又逐漸增大。隨著碎石墊層模量的降低，面層內(nèi)部剪應(yīng)力逐漸增加，且增加幅度更大，這主要由于碎石墊層模量降低過多以后，半剛性基層的下臥層剛性降低，會逐漸導致面層受剪后產(chǎn)生更大剪切變形和剪應(yīng)力。

路表的剪應(yīng)力變化幅度在9共場所kPa以內(nèi)，剪應(yīng)力最多增大了21.7%。碎石墊層模量在300～400 MPa范圍內(nèi)變化時，面層內(nèi)剪應(yīng)力較接近；向上提高模量并未顯著減小面層剪應(yīng)力，而減小模量，面層內(nèi)的剪應(yīng)力卻會較顯著的增大，這一范圍對控制面層剪應(yīng)力來說應(yīng)為較理想的取值，以保證瀝青混凝土面層不出現(xiàn)明顯車轍和推移等病害。

2.2 半剛性基層應(yīng)力變化

(1)層底拉應(yīng)力

在既定路面結(jié)構(gòu)參數(shù)下，半剛性基層的層底拉應(yīng)力如圖6、圖7所示，其中A、B、C、D分別代表四個不同計算點，路面結(jié)構(gòu)厚度及各計算點具體位置詳見圖1。

圖6 上基層層底拉應(yīng)力

圖7 下基層層底拉應(yīng)力

通過圖6和圖7可以看到，半剛性基層與底基層層底拉應(yīng)力均隨著碎石墊層模量增大，呈明顯的減小趨勢，基層與底基層層底拉應(yīng)力最多分別減小了196.43%、44.46%；此外，隨著墊層模量的增大，C點位處基層層底應(yīng)力持續(xù)減小，最終由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。另外，由圖中結(jié)果可以看到，碎石墊層模量250 MPa對于基層與底基層層底拉應(yīng)力，均是一個顯著的分界點；如果墊層模量小于這個值，基層層底的拉應(yīng)力增大更顯著，這對于半剛性基層以及瀝青混凝土面層都不利。因此，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中適當增大碎石墊層模量，對減小半剛性基層層底拉應(yīng)力，減少路面裂縫有重要作用。

(2)層內(nèi)水平應(yīng)力

半剛性基層內(nèi)水平應(yīng)力變化如圖8所示。

圖8 半剛性基層內(nèi)水平應(yīng)力變化

從圖8中碎石墊層不同模量下輪跡中心處(D點位)半剛性基層層內(nèi)水平應(yīng)力結(jié)果可以看到，半剛性基層內(nèi)處于上壓下拉的狀態(tài)，上基層大部分位于受壓區(qū)，下基層完全位于受拉區(qū)。隨著碎石墊層模量增大，拉壓區(qū)分界點將向下移動3 cm左右，即受壓區(qū)增大，但上部受壓區(qū)的壓應(yīng)力變化不明顯，而下部受拉區(qū)的拉應(yīng)力發(fā)生大范圍變化。這表明碎石墊層模量的變化主要對下基層的水平拉應(yīng)力產(chǎn)生重要影響，需適當增大碎石墊層模量控制下基層水平拉應(yīng)力的增長。

3 結(jié) 語

對于瀝青面層來說，面層內(nèi)剪應(yīng)力相比各面層層底拉應(yīng)力，受碎石墊層模量變化的影響更顯著；碎石墊層模量越小，面層內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力就越大，路面越容易因抗剪強度不足而產(chǎn)生車轍病害。此外，墊層模量對半剛性基層與底基層的層底拉應(yīng)力也產(chǎn)生顯著的影響；墊層模量的增大導致基層與底基層層底壓應(yīng)力的持續(xù)減小，基層也越容易因受到拉應(yīng)力而發(fā)生開裂并向上發(fā)展，導致路面面層產(chǎn)生反射裂縫而遭到破壞。