混合式基层沥青路面结构的力学特性研究

冯学茂

(广西新恒通高速公路有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

目前，我国大部分高速公路采用半刚性基层沥青路面。由于其材料性质，半刚性基层沥青路面不可避免地会产生温度收缩或干缩开裂，引起面层反射裂缝，进而导致路面结构破坏。混合式基层是对于中国常用的柔性基层及半刚性基层而提出的路面结构形式。本文拟定3种混合式基层沥青路面结构，通过BISAR软件进行路面应力、应变计算，研究不同混合式基层路面结构的力学性能，以期为混合式基层沥青路面的设计、施工及养护提供思路和方案。

1 混合式基层路面结构方案计算参数

拟定三种混合式基层沥青路面结构为计算模型，材料参数参考相关规范推荐值。路面结构及材料参数见表1、表2。

表1 路面结构类型表

表2 计算参数表

根据路面结构类型和计算参数的不同，荷载标准荷载模式的设计规范，即单轴双套，单轮传压面当量圆直径d=2、δ=21.3 cm，两轮中心距离为1.5 d，轴荷载P=100 kN，轮胎地压p=0.7 MPa，计算方案见图1(a)。利用BISAR3.0弹性分层系统计算和分析软件计算，假设夹层完全连续，在双圆垂直均匀分布荷载作用下，最不利的应力和应变空间位置在道路横断面上，如图1(b)所示。

2 力学特性分析

2.1 弯拉应变、应力分析

应用BISAR3.0软件进行计算，计算点位于双圆中心处。各结构层层底弯拉应变、应力见表3、表4。

图1 力学分析计算示意图

表3 不同混合式基层沥青路面弯拉应变计算表

表4 不同混合式基层沥青路面弯拉应力计算表

图2 不同混合式基层沥青路面弯拉应变沿路深对比图

图3 不同混合式基层沥青路面弯拉应力沿路深对比图

由图2、图3可知：

(1)对三种混合基沥青路面的弯拉应变最不利位置在双圆中心18 cm处，且以结构二的弯拉应变最大。中面层层底小范围内表现为压应变。三种沥青路面结构基层亦承受较大的弯拉应变，结构三由于底基层模量较小，其弯拉应变最大，结构一、二次之。因此，对于结构三，其结构下部材料对于抗弯拉能力的要求亦较高。

(2)三种结构在沥青层表面均出现拉应力，但数量较小。结构二的下面层为拉应力，而结构一、三表现为压应力。下基层、底基层表现为拉应力，且随着深度的增加，拉应力逐渐增大，其中结构三的增幅最大。可见混合式基层路面结构二的抗拉开裂能力优于其他两种结构。

2.2 竖向应变、应力分析

使用BISAR3.0软件计算，计算点位于双圆的中心。各结构层层底的竖向应变和应力见表5和表6。

表5 不同混合式基层沥青路面竖向应变计算表

表6 不同混合式基层沥青路面垂直应力计算表

图4 不同混合式基层沥青路面竖向应变沿路深对比图

图5 不同混合式基层沥青路面垂直应力沿路深对比图

由图4、图5可知：

在双圆中心，三种沥青路面结构竖向应变、垂直应力分布较为相似。从路表至基层，道路深度变大的同时，竖向压应变相应地呈递增状态，且沥青底部的压应变为最大，其中结构二下面层底部压应变最大，达148.8×10-6。在基层内部，竖向压应变随道路深度的增加相应逐渐减小。而三者应力大小基本相同。

3 三种混合式基层沥青路面综合评价

(1)分析以上三种混合式基层沥青路面结构内部的弯拉应力、应变以及竖向应力、应变可知，结构二的沥青层底产生了较大的弯拉应变、应力，而结构一、三次之，说明混合式基层结构一、结构三的抗裂能力要优于结构二。三种混合式基层沥青路面结构的路基顶面压应变、应力基本相同，说明三种混合式基层沥青路面结构整体抗变形能力相差不大。

(2)结构二采用级配碎石作为上基层，由于级配碎石是一种松散的粒状材料，它能承受压应力和剪应力，但不能承受拉伸应力。当半刚性基底的裂缝向上扩散到分级砂砾层时，因为它是疏松的，半刚性底基层裂缝的应力集中将沿着不同方向扩展，经过一定厚度的均匀扩散，可逐渐消除应力集中现象，从而达到良好的防反射裂缝效果。与半刚性基层沥青路面相比，使沥青路面裂缝大为减少。

(3)级配碎石具有一定的吸水和排水功能，可以有效防止泥浆或砂浆的产生。结构二以级配碎石为上基层，基本可以防止泥浆或浆液病害的产生，从而有效地避免了网络裂缝和早期的水害。

(4)结构一、三采用沥青稳定碎石作为上基层，增加了沥青层的总厚度，这有助于降低沥青层底部的拉伸应力和应变，有助于防止和延缓反射裂纹的产生。半刚性基座底部的收缩裂纹反射到沥青表面，需要通过较厚的沥青层，可以延缓裂纹的发生。

(5)结构一、三有较厚的沥青层，能有效延缓自由渗水时间，并能有效延缓“砂浆”或“泥浆”涌出沥青路面结构层的时间，早期能有效延缓网状裂缝的开裂。

4 结语

基于BISAR软件进行路面应力、应变计算可知，三种路面结构中，整体抗变形能力相差不大，结构一、结构三的抗裂能力要优于结构二。结构三由于底基层模量较小，对抗弯拉能力的要求亦较高。结构二采用级配碎石作为上基层，其应力扩散能力、排水功能和吸水功能较强，可有效防止反射裂缝、网状裂缝和早期水损坏的产生。结构一、三具有较厚的沥青层，亦可延缓反射裂缝的产生以及延缓早期网状裂缝的产生。三种结构各有特点，在进行路面设计时，应根据实际需求合理选择路面结构，以提高路用性能。